NO803279L

NO803279L - SIGNAL CONVERSING UNIT CALCULATED TO AA PART OF A PNEUMATIC REGULATION SYSTEM

Info

Publication number: NO803279L
Application number: NO803279A
Authority: NO
Inventors: Arne Jacobsson; Jiri Formanek
Original assignee: Saab Scania Ab
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1980-10-31
Also published as: DK462080A; EP0024409A1; GB2065331A; ATA901680A; WO1980001826A1; DE3034326T1; DK150278B; DE3034326C2; CH646230A5; NL8020072A; SE7901841L; SE420639B

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en signalomformende enhet beregnet til å .inngå i et pneumatisk reguleringssystem og tjenende til å omforme et på enhetens inngang mottatte elektrisk regule- - rlngssignal til et pneumatisk signal som avgis på enhetenes utgang og hvis verdi skal være proporsjonal med reguleringssignalets verdi, omfattende et tungeformet piezoelektrisk element som påtrykkes en spenning som avhenger av reguleringssignalet slik at elementet får en utbøyning i sideretning som varierer med spenningen, en pneumatisk ledning med et kammer som tilføres trykkluft via en strupeventil og fra hvilken trykkluft avledes gjennom en dyse beliggende inntil det piezoelektriske elements ene side, slik at lufttrykket i kammeret blir regulert av det piezoelektriske elementet som funksjon av den nevnte spenningen, og en fra kammeret gående utgangsledning for til reguleringssystemet å overføre det regulerte lufttrykket- som nevnte pneumatiske, signal. The present invention relates to a signal converting unit intended to be included in a pneumatic regulation system and serving to convert an electrical regulation signal received at the unit's input into a pneumatic signal that is emitted at the unit's output and whose value must be proportional to the regulation signal's value, comprising a tongue-shaped piezoelectric element that is applied a voltage that depends on the control signal so that the element gets a deflection in the lateral direction that varies with the voltage, a pneumatic line with a chamber that is supplied with compressed air via a throttle valve and from which compressed air is diverted through a nozzle located close to the piezoelectric element one side, so that the air pressure in the chamber is regulated by the piezoelectric element as a function of the aforementioned voltage, and an output line running from the chamber to transmit the regulated air pressure - as mentioned pneumatic - signal to the regulation system.

I svensk utlegningsskrift 322.989 (med prioritet frå .US 588 057) beskrives nærmere en slik signalomformer, innbefattende et kammer' med en innløpsåpning og en utløpsåpning. Til innløpsåpningen In Swedish specification 322,989 (with priority from .US 588,057) such a signal converter is described in more detail, including a chamber with an inlet opening and an outlet opening. To the inlet opening

ler tilkoblet en fluidumstrykk-kilde ved hjelp.av hvilken tilveiebringes et trykk i kammeret. Inntil hver av nevnte åp-ninger finnes en elektrisk påvirkbar piezoelektrisk tunge. Avhengig av styresignalets styrke og polaritet kan tungen' fås. is connected to a fluid pressure source by means of which a pressure is provided in the chamber. Up to each of the aforementioned openings there is an electrically actuable piezoelectric tongue. Depending on the strength and polarity of the control signal, the tongue' can be obtained.

til å bevege seg mot eller fra åpningen slik at derved trykket i to move towards or from the opening so that thereby the pressure i

-kammeret påvirkes. Fra dette trykk bestemmes et med styresignalet forbundet fluidumstrykk-verdi. Ifølge nevnte utlegningsskrift tilveiebringes ved en tilbakekobling en ytre kraft mot tungen. Kraftens størrelse er forbundet med størrelsen av trykket i kammeret og oppgis å virke i motsatt retning rela- -the chamber is affected. From this pressure, a fluid pressure value associated with the control signal is determined. According to the aforementioned explanatory document, an external force against the tongue is provided by a feedback. The magnitude of the force is connected to the magnitude of the pressure in the chamber and is stated to act in the opposite direction relative to

Dtivt den av styresignalet tilveiebragte utbøyning hos tungen. Hensikten med dette er å begrense utbøyningen hos tungen hvorved den av styresignalet tilveiebragte utbøyningskraft balan-serer mot fluidumtrykket. Anordningen arbeider således ifølge kraftbalanseprinsippet, dvs. fluidumstrykket blir avhengig av Dtively the deflection of the tongue provided by the control signal. The purpose of this is to limit the deflection of the tongue whereby the deflection force provided by the control signal balances against the fluid pressure. The device thus works according to the force balance principle, i.e. the fluid pressure is dependent on

5den piezoelektriske utbøyningskraften som funksjon av det elektriske styresignalet. Således kommer slike faktorer som den piezoelektriske tungens temperaturavhengighet, ulinearitet, hysterese og langtidsinstabilitet hos utbøyningskratften som funk- 5 the piezoelectric deflection force as a function of the electrical control signal. Thus, such factors as the temperature dependence of the piezoelectric tongue, non-linearity, hysteresis and long-term instability of the deflection force come into play

sjon av det elektriske styresignalet til å. påvirke nøyaktigheten i omformingen fra elektrisk styresignal til fluidumstrykk-verdi- tion of the electrical control signal to influence the accuracy of the conversion from electrical control signal to fluid pressure value

I den grad.det forekommer variasjoner i matningstrykkket fra fluidumstrykk-kilden, vil disse ikke kompenseres helt r men kom-penseringen påvirkes av nevnte faktorer. To the extent that there are variations in the supply pressure from the fluid pressure source, these will not be fully compensated, but the compensation is affected by the aforementioned factors.

Temperaturavhengigheten, som stammer fra tungens piezokrystaller og vanskeligheter med å tilveiebringe en god innfestning av disse medfører en feil i størrelsesorden 0,05 - 0,5 % pr. °C. Hysteresen, som innebærer at tungen for en og samme styresignal-verdi får uliklirtbøyning avhengig av om nevnte verdi nås med. økende eller minskende styresignalverdier, kan nå opp til ca 20 % The temperature dependence, which originates from the tongue's piezo crystals and difficulties in providing a good attachment of these, results in an error of the order of 0.05 - 0.5% per °C. The hysteresis, which means that the tongue for one and the same control signal value gets unclicked bending depending on whether said value is reached with. increasing or decreasing control signal values, can reach up to approx. 20%

og det kan ta opp til 20 timer for tungen å- innta en entydig sta-bil' utbøyningsstilling tilsvarende. en viss • styresignalverd.1. Også langtidsstabiliteten henger sammen med. tungens mekaniske oppbygning. De feil som oppstår som følge av bristende lang-tidsstabilitet er imidlertid vanskelige å skille fra dem som stammer fra hysterese. and it can take up to 20 hours for the tongue to assume a correspondingly stable, stable flexion position. a certain • control signal value.1. The long-term stability is also related. the mechanical structure of the tongue. However, the errors that arise as a result of broken long-term stability are difficult to distinguish from those that originate from hysteresis.

Spesielt i prosessindustrien er det behov for anordninger somEspecially in the process industry, there is a need for devices that

med høy nøyaktighet kan tilveiebringe en omformning av ovennevnte type,men med hittil kjente anordninger har man bare klart å re-dusere innvirkning av de nevnte faktorene og derfor er ikke tilstrekkelig høy nøyaktighet blitt oppnådd. with high accuracy can provide a transformation of the above-mentioned type, but with hitherto known devices it has only been possible to reduce the impact of the aforementioned factors and therefore sufficiently high accuracy has not been achieved.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en signalomformer av det innledningsvis nevnte slag, hvilken med høy nøyaktighet kan omforme et elektrisk styresignal til et tilsvarende pneumatisk trykkverdi, hvilken signalomf ormer ikke har ovennevnte ulemper og dette tilveiebringes derved at signalomf ormeren har de kjennetegn som fremgår av vedlagte patent-krav. The purpose of the present invention is to provide a signal converter of the type mentioned at the outset, which can with high accuracy convert an electrical control signal into a corresponding pneumatic pressure value, which signal converter does not have the above-mentioned disadvantages and this is provided by the fact that the signal converter has the characteristics that appear from attached patent claims.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares ytterligere med hen-visning til vedlagte tegning på hvilken fig. 1 skjematisk og"delvis i blokkskjemaform viser en signalomformende enhet ifølge oppfinnelsen for omformning av et elektrisk- styresignal til et tilsvarende pneumatisk trykkverdi, en såkalt I/P-omformer. In the following, the invention will be further explained with reference to the attached drawing in which fig. 1 schematically and partially in block diagram form shows a signal transforming unit according to the invention for transforming an electrical control signal into a corresponding pneumatic pressure value, a so-called I/P converter.

■Fig. 2 viser i blokksk jemaf orm en alternativ utf ørelsesform av■Fig. 2 shows in block diagram form an alternative embodiment of

en signalomformer ifølge oppfinnelsen.a signal converter according to the invention.

På tegningen er 1 en til en pneumatisk trykk-kilde 2 tilkoblet ledning, som munner i en dyse 3. Mellom trykk-kilden 2 og dysen 3 finnes i nevnte orden en strupeventil 4 og en pneumatisk trykkutgang- 5\ Ved hjelp av trykk-kilden tilveiebringes et pneumatisk trykk i et kammer la mellom dysen 3 og strupeventilen 4 i ledningen 1. Inntil dysen 3 er anbragt..et for elektrisk signalpåvirkning følsomt piezoelektrisk element 6 som fra dysen vendte ende er fast innspent. Elementets 6 mot dysen In the drawing, 1 is a line connected to a pneumatic pressure source 2, which opens into a nozzle 3. Between the pressure source 2 and the nozzle 3, in the aforementioned order, there is a throttle valve 4 and a pneumatic pressure outlet 5\ Using the pressure source a pneumatic pressure is provided in a chamber 1a between the nozzle 3 and the throttle valve 4 in the line 1. Until the nozzle 3 is placed...a piezoelectric element 6 sensitive to electrical signal influence which is firmly clamped from the end facing the nozzle. The element's 6 towards the nozzle

vendte side er således utformet at det mellom elementet og dysen oppstår en spalte gjennom hvilken luften kan strømme ut. Gjennom den elektriske signalpåvirkningen kan elementet 6 fås til å bevege seg mot eller fra dysen 3 avhengig av signalets styrke og polaritet hvorved spalten mellom elementet og dysen minsker eller øker. På denne måten kan luftens utstrømning gjennom dysen 3 påvirkes og dermed også det pneumatiske trykket i kammeret la og på trykkutgangen 5 styres. Dette trykk, som kan anvendes som styretrykk til en pneumatisk forsterker eller et sylinder-stempelaggregat, er på tegningen markert med P. Hvis ingen andre'foranstaltning er blir tatt, ville som innledningsvis forklart ved en slik styring av det pneumtasike.trykket nøyaktigheten påvirkes i negativ retning av et fler-tall faktorer. facing side is designed in such a way that there is a gap between the element and the nozzle through which the air can flow out. Through the electrical signal influence, the element 6 can be made to move towards or away from the nozzle 3 depending on the strength and polarity of the signal, whereby the gap between the element and the nozzle decreases or increases. In this way, the outflow of air through the nozzle 3 can be influenced and thus also the pneumatic pressure in the chamber 1a and on the pressure outlet 5 can be controlled. This pressure, which can be used as control pressure for a pneumatic amplifier or a cylinder-piston assembly, is marked P in the drawing. If no other measure is taken, as explained at the outset, by such control of the pneumatic pressure, the accuracy would be affected in negative direction of a number of factors.

Ifølge■oppfinnelsen er, som det fremgår av fig; 1, for avføling i av det pneumatiske trykket i ledningen en trykkgiver 7 tilkoblet til trykkutgangen 5. Trykkgiveren 7 er innrettet til å danne et.elektrisk! signal T, som svarer til nevnte styretrykk. Signalet T påføres clen ene signalinngangen 8 av en kompara- According to the invention, as can be seen from fig; 1, for sensing the pneumatic pressure in the line a pressure transmitter 7 connected to the pressure output 5. The pressure transmitter 7 is arranged to form an electric! signal T, which corresponds to said control pressure. The signal T is applied to the signal input 8 of a comparator

tor 9, hvis andre inngang 10 påføres, det elektriske styresig->nalet,' i det følgende benevnt I, "somønskes omformet til én pneumatisk trykkverdi. Komparatoren 9 er innrettet til å sammen-ligne signalene T og I og å danne et til forskjellen mellom nevnte signaler svarende forskjellssignal.. Dette påføres tor 9, if the second input 10 is applied, the electrical control signal, hereafter referred to as I, is desired to be transformed into one pneumatic pressure value. The comparator 9 is arranged to compare the signals T and I and to form a to the difference between said signals corresponding to the difference signal.. This is applied

'en integrator 11, hvis utsignal er en spenning og får virke 'an integrator 11, whose output signal is a voltage and is allowed to work

>på det piezoelektriske elementet 6. Integratoren 11 er for-trinnsvis en integrerende forsterker og dens utsignal tilsvarer tidsintegralet av det til integratoren innkommende for- >on the piezoelectric element 6. The integrator 11 is preferably an integrating amplifier and its output signal corresponds to the time integral of the input input to the integrator

,skjellssignalet. Dette innebærer at selv små forskjellsignaler med viss varighet . tilveiebringer utsignaler fra integratoren 11 av samme størrelsesorden som større,men mer kortvarige for-sk jei Iss ignaler .. , the shell signal. This means that even small difference signals with a certain duration. provides output signals from the integrator 11 of the same order of magnitude as larger, but more short-lived, research jei Iss signals..

Den i fig. 1 viste- anordning fungerer som en I/P-omformer og arbeider med en sluttet reguleringssløyfe på følgende måte: Avhengig'av. størrelsen og polariteten hos forskjellssignalet vil elementet 6 som tidligere nevnt bevege seg fra eller mot dysen 3,hvorved spalten mellom elementet og dysen øker eller minsker slik at - det pneumatiske trykket i kammeret la og dermed, også såvel den pneumatiske trykkverdien P som signalet T vil bli endret.' Man kan tydelig gi reguler ings sløyf en slike egen-skaper at den pneumatiske trykkverdien P meget nøyaktig tilsvarer signalet I. Det piezoelektriske elementets.6 egenska-iper eller variasjoner i matningstrykket fra trykkilden 2 på-virker ikke omformerens nøyaktighet, hvilken påvirkes kun' av trykkgiverens 7 nøyaktighet. The one in fig. 1 device shown functions as an I/P converter and works with a closed control loop in the following way: Depending on. the size and polarity of the difference signal, the element 6 as previously mentioned will move from or towards the nozzle 3, whereby the gap between the element and the nozzle increases or decreases so that - the pneumatic pressure in the chamber la and thus also the pneumatic pressure value P as well as the signal T will be changed.' One can clearly give the control loop such properties that the pneumatic pressure value P very precisely corresponds to the signal I. The properties of the piezoelectric element 6 or variations in the supply pressure from the pressure source 2 do not affect the accuracy of the converter, which is only affected by the pressure transmitter's 7 accuracy.

Komparatoren 9 og integratoren 11 tilsvarer til sin funksjon en proporsjonal integrerende regulator, en såkalt P/I-regulator. The comparator 9 and the integrator 11 correspond in function to a proportional integrating regulator, a so-called P/I regulator.

)I fig. 2 er 12 en slik P/I-regulator. Nevnte figur viser en alternativ: .utf ørelsesform av en I/P-omformer ifølge op<p>finnel-sen, der en fluidumsforsterker 13 er tilkoblet til trykkutgangen 5. Forsterkeren 13 trykkmates fra trykkilden 2 via en ledning 14 og har til oppgave å tilveiebringe en forsterket luftstrøm i og/eller en øket trykkverdi i utgangsledningen 5 for slike tilpasninger hvor en luftstrøm via strupeventilen 4 ikke'er tilstrekkelig. Trykkgiveren 7 er koblet til forsterkerens utgang 15 som også utgjør I/P-omformerens utgang, dvs. det'til signalet I' tilsvarende pneumatiske trykknivå tas som et arbeidstrykk ut )på utgangen 15. Arbeidstrykket kan eksempelvis■anvendes for stillingsstyring av et på tegningen ikke vist s.ylinder-stempelaggregat. ) in fig. 2, 12 is such a P/I regulator. Said figure shows an alternative: embodiment of an I/P converter according to the invention, where a fluid amplifier 13 is connected to the pressure output 5. The amplifier 13 is pressurized from the pressure source 2 via a line 14 and has the task of provide an enhanced air flow in and/or an increased pressure value in the output line 5 for such adaptations where an air flow via the throttle valve 4 is not sufficient. The pressure transmitter 7 is connected to the output 15 of the amplifier, which also forms the output of the I/P converter, i.e. the pneumatic pressure level corresponding to the signal I is taken as a working pressure at the output 15. The working pressure can, for example, be used for position control of a in the drawing not shown s.cylinder-piston assembly.

"Det er åpenbart at signalomformeren ifølge oppfinnelsen kan modifiseres på mange måter innenfor rammen for oppfinnelsestan-5 ken. Således kan f.eks.: det piezoelektriske elementet 6 anordnes slik. at det under innvirkning av styresignalet beveger seg 'kun en retning,, dvs enten fra eller mot dysen 3. It is obvious that the signal converter according to the invention can be modified in many ways within the scope of the inventive concept. Thus, for example: the piezoelectric element 6 can be arranged so that under the influence of the control signal it moves in 'only one direction', i.e. either from or towards the nozzle 3.

Claims

Signal converting unit intended to be part of a pneumatic regulation system and serving to convert an electrical regulation signal (I) received at the unit's input into a pneumatic signal (P) which is emitted at the unit's output and whose value must be proportional to the regulation signal's value, comprising a

tongue-shaped piezoelectric element (6) which is applied a voltage that depends on the control signal (I) so that the element (6) gets a deflection in the lateral direction that varies with the voltage, a pneumatic line (1) with a chamber (la ) which is supplied with compressed air via a . throttle valve (4) and from which compressed air is diverted through a nozzle (3) located next to one side of the piezoelectric element (6), so that the air pressure in the chamber (la) is regulated by the piezoelectric element (6) as a function of the aforementioned voltage, and an output line (5) running from the chamber (la) in order to transmit to the regulation system the regulated air pressure as said pneumatic signal (P), characterized in that a pressure transmitter (7) is connected to the output line (5) which is arranged to an electrical signal (T) corresponding to the regulated air pressure and which is fed back to the unit's input via a feedback, and that the input has a circuit (9, 11; 12) which receives both the

the electrical control signal (I) as the feedback electrical signal and which has means (9) for, through comparison between the two signals, to form a difference signal and means (11)

to integrate the difference signal and then from the integrated >difference signal to form the voltage which is applied to the piezo

the electrical element (6), whereby the pneumatic signal (P) to the regulation system will precisely follow the electrical regu-

learning signal (I).