SE432974B - Elektropneumatisk signalomvandlare - Google Patents

Description

8100874-0 10 20 25 30 35 signalerna. Detta är i själva verket en faktor som i vissa industri- branscher, till exempel petrokemisk industri (PE-tillverkning) och pappersindustri (maskinhastigheter på upp till 1 200 m/min), får allt större betydelse. Mängden mekaniska komponenter i konventionella system medför också friktion som ger en tröghetsverkan som yttrar sig på samma sätt som magnetisk hysteres, vilket begränsar möjligheterna att uppnå bästa överföringskaraktäristik. Dessutom är konventionella system mycket vibrationskänsliga, vilket i många industriella Saman- hang är en mycket allvarlig, för att inte säga avgörande nackdel.

Ytterligare en begränsning med konventionella elektropneumatiska signalomvandlare är att de inte kan använda ett arbetstryck på 4 - 6 bar, som är gängse arbetstryck inom industrin, utan omvandlare.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen är att eliminera ovan angivna begränsningar och nackdelar hos konventionella elektropneumatiska omvandlare. Mer bestämt är ett syfte att erbjuda en omvandlare med mycket få rörliga delar, lågt utrymeskrav, ytterst god vibrationstålighet, goda ut- balanseringsmöjlígheter och bland annat därför mycket hög reaktions- snabbhet, och med goda möjligheter att uppnå optimum mellan hysteres och överföringskarakteristika.

Dessa och andra syften kan uppnås därigenom att signalomvandlaren även innefattar en matningsledning för ett konstant flöde av mat- ningsluft in i dyskammaren och vidare ut genom dysan i spalten mellan dysan och flappern, samt en tryckavkänningsledning från dyskammaren till ett tryckberoende organ för förmedling av en pneumatisk tryck- signal från dyskammaren till det tryckberoende organet.

Signalomvandlarens funktion är mycket enkel. Matningsluften leds in i dyskammaren från en tryckkälla med konstant hastighet. Tryckkällan kan 10 15 20 30 35 8100874-0 exempelvis utgöras av en drivluftkälla om 4 ä 6 bar av det slag som är normalt i industrier. För att erhålla konstant luftström anordnas en förstrypning i inledningskanalen, så att luften inströmmar i dyskammaren med ljudhastighet. Från dyskammaren strömmar luften vidare ut genom dysan i spalten mellan dysmynningen och flappern. Luften inverkar härvid med en uppåtriktad kraft på flappern. Samtidigt genererar strömsignalen som genomflyter spolen ett magnetfält i kärnan som inverkar genom en nedåtdragande kraft på flappern. På grund av strömstyrkan i signalen komer därför flappern att inta olika lägen så att de pneumatiska och magnetiska krafter som inverkar på flappern balanserar varandra. Be~ roende på flapperns läge kommer storleken på luftspalten mellan dysan och flappern att variera, vilket i sin tur påverkar trycket i dysan och i dyskammaren. Trycket ooh tryckvariationerna förmedlas via en tryck- avkänningsledning till det tryckavkännande organ, som syftet är att påverka. För att anordningen skall fungera på ett tillfredsställande sätt är det av betydelse att flappern inte rör sig så snabbt att dysan stängs innan lufttrycket hunnit balansera den genererade magnetkraften.

Det är därför lämpligt att anordna ett organ för dämpning av flapperns rörelser. Enligt en föredragen utföringsform utgörs dämparen av en kropp av elektriskt ledande, icke ferromagnetiskt material som omger den ferromagnetiska kärnan i området för den ände som är vänd mot flappern, vilken kropp verkar som ett kortslutningsvarv i vilket induceras en ström orsakad av förändringar i strömmen i spolen som genererar ett magnetfält i kärnan vilket är motriktat det av strömmen i spolen gene- rerade fältet och som verkar dämpande på flapperns rörelser.

Då luftspalten mellan flappern och dysan är mycket liten har varje ändring av luftspaltens storlek en mycket kraftig inverkan på luft- trycket, medan däremot magnetfältet påverkas jämförelsevis litet.

För att undvika oscillering är det därför lämpligt att begränsa flap- perns rörelse mot dysan genom att anordna ett distansorgan mellan flapporns ferromagnetiska material och den fcrromagnetiska kärnan.

Företrädesvis sker detta genom att flappern på sin undersida, det vill säga på den sida som är vänd mot dysan, förses med en beläggning eller bricka av icke ferromagnetiskt, företrädesvis dielektriskt material, vilket förhindrar kortslutning av den magnetiska kretsen mellan kärnan 10 15 20 30 35 8100874-(1 och flappern. Lämpligen ges denna bricka eller beläggning en tjocklek mellan 0,1 och 0,5 m, varvid tjockleken väljs beroende på signalom- vandlarens övriga dimensioner.

Ytterligare syften med samt kännetecken på uppfinningen komer att framgå av följande beskrivning av en föredragen utföríngsform samt av efterföljande patentkrav.

KORT FIGURBESKRIVNING I den följande beskrivningen av en föredragen utföringsform komer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. 1A - C visar tre tänkbara sätt att anordna en signalomvandlare i ett reglersystem, Fig. 2 utgör en sidovy av signalomvandlaren enligt en föredragen ut- föringsform av uppfinningen, Fig. 3 utgör en sektion III - III i Fig. 2 av signalomvandlaren enligt uppfinningen, Fig. 4 utgör ett blockscbema över omvandlaren enligt uppfinningen, Fig. 5 visar schematiskt den magnetiska kretsen i omvandlaren enligt uppfinningen, och Fíg. 6 illustrerar hur en signalomvandlare enligt uppfinningen kan anslutas direkt till en så kallad positioner i ett pneumatiskt ställdon.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Den i Fig. 1A schematiskt visade reglerutrustningen är anordnad för reglering av flödet i en rörledning 1. Flödet i ledningen 1 mäts i en mätpunkt 2 och genererar en trycksignal som omvandlas till en ström- signal i en tryckströmomvandlare, så kallad trycktransmitter 3. 15 20 25 30 35 8100874-0 Är-värdet från trycktransmittern 3 behandlas i en regulator 4 med led- Värdesinställning. Regulatorn 4 ger ett ställvärde i form av en signal- ström om 4 - 20 mA till en elektropneumatisk, så kallad IP-omvandlare 5.

IP-omvandlaren 5 matas med drivluft från en standardtryckkälla om 6 bar.

På IP-omvandlarens utgångssida erhålls en pneumatisk trycksignal som via en tryckledning 6 förmedlas till en så kallad positioner 7 som styr ett ställdon 8 för inställning av klaffen i en klaffventil 9 i rörledningen 1 så att önskat flöde erhålls i ledningen. Fig. 1A illustrerar ett arrangemang som är mycket vanligt i konventionella anläggningar, där IP- omvandlaren måste placeras på ett avstånd från positionern med hänsyn till omvandlarens utrymmesbehov men ofta även på grund av konventionella IP-omvandlares vibrationskänslighet. Även IP-omvandlare enligt upp- finningen kan anordnas på det sätt som visas i Fig. 1A. Uppfinningen ger emellertid stora möjligheter att placera IP-omvandlaren direkt på posi- tionern 7, såsom illustreras i Fig. 1B genom att omvandlaren kräver mycket litet utrymme samtidigt som den är ytterst víbrationstålig. Det lilla utrymmesbehovet gör det även möjligt att i praktiken anordna en st°r mängd IP~omvandlare i en central i anslutning till en dator för styrning av en större industrianläggning. Fig. 1C illustrerar detta fall. I exemplet visas en del av en större anläggning, där ledningarna 1A, 1B och 1C kan tänkas utgöra ledningar för färg som skall blandas i ett färgbad 10. De tre IP-omvandlarna SA, SB och SC, som ingår i ett större batteri omvandlare i anslutning till en dator 11, är kopplade till respektive positioners för reglering av flödet i ledningarna 1A - 1B genom styrning av respektive klaffventiler 9A - C.

Uppbyggnaden av den elektropneumatiska omvandlaren 5- IP-omvandlaren - visas i Fig. 2 och 3. Anordningen innefattar en spole 11 på en kärna 12 av ferromagnetiskt material. Kärnan 12 sträcker sig förbi spolens 11 övre ände och avsmalnar i sin översta del där en dysa 13 med en dys- kamare 14 är anordnad, Fig. 3. Med dysa förstås i detta fall dyskam- marens mynning. Mellan spolen 11 och dysan 13 omges kärnan 12 av en kropp 15 av elektriskt ledande, men icke ferromagnetiskt material, exempelvis mässing, koppar, aluminium eller liknande metall. Metall- kroppen 15 har enligt utföringsformen kvadratisk horisontalsektion och är fastskruvad vid en konsol 16 av ferromagnetiskt material av sama slag som kärnan 12. 10 15 20 25 30 35 8100874-0 Ovanför dysan 13 är anordnad en flapper 17, som också är tillverkad av samma ferromagnetiska material som konsolen 16 och kärnan 12. Flappern 17 är ledat monterad på konsolens 16 övre ände och uppvisar en balansern 21. Tillsamans bildar kärnan 12, konsolen 16 och flappern 17 en magnet- krets för det magnetiska fält som genereras av strömmen i spolen 11. För att flöde som genereras då spolen 11 genomflytes av en strömsignal. För att förhindra att magnetkretsen kortsluts finns ett distansorgan i form av en tunn bricka 18 av plast eller liknande på flapperns 17 undersida.

Brickan 18 har en tjocklek av 0,25 mm enligt utföringsformen.

Till kamaren 14 är ansluten en matningsledning 19 för drivluft. Enligt utföringsformen inleds drivluften genom metallkroppen 15, det vill säga i radiell riktning mot kammaren 14. Det är emellertid i och för sig möjligt att även inleda drivluften axiellt genom kärnan 12 från undre änden, varvid kärnan 12 exempelvis kan framställas från ett ämesrör.

Med hänvisning till Fig. 2 betecknas inmatningsledningen genom metall- kroppen 15 med siffran 19A och dess fortsättning i kärnans 12 vägg med siffran 193. I matningsledningen 19A i metallkroppen 15 är anordnad en förstrypning 23 i form av en urborrad rubin, så att luften som passerar genom ledningen 19B inne i kamaren 14 inströmmar med ljudhastighet i kammaren 14, vilket garanterar ett konstant luftflöde.

Från kamaren 14 leder en tryckavkänningskanal 22 via en tryckavkänn- ningsledning 6 till det tryckberoende organ, exempelvis en positioner, som skall påverkas av tryckvariationerna i dyskammaren 14. Spalten mellan dysan 13 och brickan 18 på flapperns undersida har betecknats 25.

Den sålunda beskrivna anordningen fungerar på följande sätt. En ström- signal genom spolen 11 alstrar ett magnetfält i kärnan 12. Magnetfältet söker härvid dra flappern 17 i riktning nedåt. Genom att flappern ändrar läge och därmed luftspalten 25 minskar, ändras lufttrycket i dysan 13 och därmed i dyskamaren 14. Trycket i dysan påverkar alltså flappern i riktning uppåt, så att den nedåtriktade magnetkraften och den uppåt- riktade pneumatiska tryckkraften balanserar varandra. Tryckvariationerna i dyskammaren 14 avkänns genom.den i dyskamaren mynnande tryckavkänn- 20 25 8100874-0 ningskanalen 22 och förmedlas via tryckledningen 24 till det tryck- beroende organet. Anordningens reaktionssnabbhet är mycket hög. För att hindra att flappern 17 rör sig så snabbt nedåt att dysan 13 helt stängs till innan lufttrycket i dysan hunnit balansera magnetkraften är därför metallkroppen 15 anordnad. I metallkroppen 15 induceras nämligen ström- mar, vilka genererar ett motriktat magnetfält i kärnan 12, då ström- signalen i spolen 11 ändras. Fíg. 5 illustrerar magnetkretsen, varvid de längre pilarna symboliserar de magnetfält som genereras av spolen 11, medan de kortare pilarna illustrerar det motriktade fält som alstras av den ström som induceras i metallkroppen 15 på grund av ändringar i signalströmmen. I kombination med mellanläggsbrickan ger metallkroppen 15 en lämplig dämpning i systemet, varvid brickan 18 hindrar att spal- tens 25 tjocklek närmar sig noll. Genom brickan 18 förhindras sålunda att flappern 17 oscillerar då flappern är i sitt nedersta läge, där varje ändring ger mycket stora ändringar i lufttrycket, medan däremot magnetflödet påverkas jämförelsevis litet.

Fig. 6 illustrerar hur en IPomvandlare 5 enligt uppfinningen genom sitt behändiga format och vibrationståliga utformning med fördel kan anslutas direkt till en positioner 7 och ett ställdon 8 så att man av dessa element erhåller ett integrerat aggregat 21 med små ytterdimensioner.

För IPomvandlaren 5 har för motsvarande delar använts samma beteckningar som i Fig. 2. Aggregatet 21 matas med drivluft till en gemensam anslut- ning 20, varifrån drivluft erhålls dels till ställdonet 8, dels till IP- omvandlaren 5. Från IPomvandlaren erhålls en trycksígnal som via den direktkopplade trycksignalanslutningen 6 förmedlas till positionerns 7 tryckkänsliga membran 26 för att, i de följande delarna känt sätt, påverka ställdonet 8 på önskat sätt.

Claims (3)

8100874-0 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. ~1. Elektropneumatisk signalomvandlare för omvandling av en elektrisk strömsignal till pneumatiskt tryck, innefattande.ett kraftbalanssystem där en magnetisk kraft balanseras mot en pneumatisk kraft, inne- fattande a) en spole (11) som genomflytes av den elektriska signalströmen, S amt b) en magnetisk kraft innefattande en_i spolen (11) anordnad kärna (12) av ferromagnetiskt material med en dyskammare (14) med mynning i form av en dysa (13) i kärnans ena ände, en flapper (17) av ferromagnetiskt material över dysan samt en länkt (16) av ferro- magnetiskt material som sluter den magnetiska kretsen mellan flappern och kärnans motsatta ände, k ä n n e t e c k n a d av c) en matningsledning (19, 19A, 19B) för ett konstant flöde av mat- ningsluft in i dyskammaren (14) och vidare ut genom dysan (13) i spalten (25) mellan dysan och flappern, samt en d) tryckavkänningsledníng (24) från dyskammaren till ett tryckberoende organ (7) för förmedling av en pneumatisk trycksignal från dys- kammaren till det tryckberoende organet.

2. Signalomvandlare enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a d av en kropp (15) av elektriskt ledande, icke ferromagnetiskt material som omger den ferromagnetiska kärnan (12) i området för den ände som är vänd mot flappern (17) vilken kropp verkar som ett kortslutningsvarv i vilket induceras en ström - orsakad av förändringar i strömmen i spolen (11) - som genererar ett magnetfält i kärnan vilket är motriktat det av ström- men i spolen genererade fältet och som verkar dämpande på flapperns rörelser.

3. Signalomvandlare enligt krav 2 k ä n n e t e c k n a d av ett distansorgan (18) av icke ferromagnetiskt, företrädesvis dielektriskt material mellan flappern och kärnan, företrädesvis på flapperns mot dysan vända sida, vilket förhindrar kortslutning av den magnetiska kretsen mellan kärnan och flappern.