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Die
vorliegender Erfindung betrifft einen pneumatischen Stellungsregler
mit einem pneumatischen Arbeitsglied und einer auf dieses wirkenden
piezopneumatischen Ventileinheit, welche zwei miteinander pneumatisch
gekoppelte piezopneumatische Ventile umfasst, wobei die Ventileinheit
einen Signaleingang für ein elektrisches Steuersignal sowie
einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang,
einen an das pneumatische Arbeitsglied angeschlossenen Arbeitsausgang
und einen Entlüftungsausgang für das Arbeitsmedium
(z. B. Luft) aufweist.
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Solche
Stellungsregler dienen in vorteilhafter Weise zur Verschiebung oder
Verschwenkung eines mit dem Arbeitsglied verbundenen Stellglieds,
um hierdurch z. B. eine Ventil- oder Klappenstellung zu regeln.
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Gattungsgemäße
Stellungsregler sind in der Regel so aufgebaut, dass das Arbeitsglied
bei einem Ausfall der elektrischen (Hilfs-)Energie in eine ausgewählte
Endlage verfahren wird, wobei die Endlage des Arbeitsglieds durch
die konstruktiv vorgegebene strömungstechnische Verschaltung
der Ventile und deren Aufbau definiert ist. Stellungsregler mit
unterschiedlichem Fail-Safe-Verhalten sind daher insgesamt durch
einen unterschiedlichen konstruktiven Aufbau gekennzeichnet. Dies
erweist sich insbesondere dann als aufwendig bzw. problematisch,
wenn in einem Produktsortiment mehrere Stellungsregler der eingangs
genannten Art mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten angeboten werden
sollen oder wenn das Fail-Safe-Verhalten eines bestimmten Stellungsreglers
abgeändert werden soll.
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Aus
der
EP 0 822 344 A2 ist
ein gattungsgemäßer Stellungsregler der eingangs
genannten Art mit zwei pneumatisch gekoppelten piezopneumatischen
Ventilen bekannt, bei dem ein zusätzliches, den beiden piezopneumatischen
Ventilen ausgangsseitig nachgeschaltetes und dem pneumatischen Arbeitsglied
vorgeschaltetes Verblockventil vorgesehen ist, mit welchem im Sinne
eines definierten Fail-Safe-Verhaltens die Arbeitskammer des Arbeitsgliedes
bei Ausfall einer elektrischen Hilfsenergie verschlossen werden
kann, so dass das Arbeitsglied in diesem Fall in seiner letzten
Stellung verbleibt. Auch dieser Stellungsregler, der in nachteiliger
Art auf ein zusätzliches Verblockventil angewiesen ist,
erlaubt wiederum nur ein bestimmtes, vordefiniertes Fail-Safe-Verhalten
des dargestellten Stellungsreglers.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Stellungsregler der eingangs genannten Art derart weiterzubilden,
dass er auf möglichst einfache und kostengünstig
Art und Weise an ein spezielles Fail-Safe-Verhalten anpassbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem pneumatischen Stellungsregler der eingangs
genannten Art durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei
ist – neben den bereits eingangs genannten Merkmalen – erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Ventile jeweils ein Ventilgehäuse und einen in
einen Aufnahmehohlraum des betreffenden Ventilgehäuses dichtend
einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz mit einer durchströmten
Schalteinheit aufweisen, wobei der Ventilsitz und der mit diesem
zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper
an der Schalteinheit des Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei
in dem Ventilgehäuse angeordnete Strömungskanäle
dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum münden,
dass bei identischem Ventilgehäuse durch Austausch des
Ventileinsatzes unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils
realisierbar sind.
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Im
erfindungsgemäßen Sinne ist unter unterschiedlichen
Funktionscharakteristiken also insbesondere ein unterschiedliches
Fail-Safe-Verhalten des betreffenden Ventils, z. B. im Sinne eines
vordefinierten Schaltzustands des Ventils, der sich bei Ausfall
der elektrischen Energie oder bei Druckabfall am Versorgungseingang
des Stellungsreglers einstellt, zu verstehen.
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Zwei
erfindungsgemäße pneumatische Stellungsregler
mit verschiedenen Fail-Safe-Verhalten unterscheiden sich somit ausschließlich
dadurch, dass wenigstens einer der Aufnahmehohlräume der
beiden Ventilgehäuse des einen Stellungsreglers – gegenüber
dem betreffenden Aufnahmehohlraum des anderen Stellungsreglers – mit
einem unterschiedlichen funktionsspezifischen Ventileinsatz bestückt
ist, was durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Stellungsreglers erst ermöglicht wird.
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Insoweit
ist zur möglichst einfachen Erzielung des gewünschten
Erfolges also von Bedeutung, dass die funktionsspezifischen Ventileinsätze
derart in den Aufnahmehohlraum des betreffenden Ventils einsetzbar sind,
dass sie jeweils durch einen anderen funktionsspezifischen Ventileinsatz
austauschbar sind. Jeder Ventileinsatz weist dabei zumindest eine – den
Ventilsitz und den Ventilkörper des jeweiligen Ventils
umfassende bzw. beinhaltende – Schalteinheit auf, deren
Strömungsanschlüsse bei bestimmungsgemäßer
Montage in einem Aufnahmehohlraum des Ventilgehäuses mit
in den Aufnahmehohlraum mündenden Strömungskanälen des
Ventilgehäuses verbunden sind. Verschiedene funktionsspezifische
Ventileinsätze sind daher vorteilhaft durch eine unterschiedliche
Verschaltung von Strömungskanälen innerhalb der
Schalteinheit bzw. eine unterschiedlichen Anordnung bzw. Lage von
Ventilkörper und Ventilsitz gekennzeichnet. Ferner ist
im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die von jedem
Ventilgehäuse ausgebildeten Aufnahmehohlräume,
die darin mündenden Strömungskanäle sowie
verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze derart
aneinander angepasst sind, dass zur Erzielung einer unterschiedlichen
Funktionscharak teristik des betreffenden Ventils in jedem Aufnahmehohlraum
verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze dichtend
aufgenommen werden können.
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Die
Ventilgehäuse beider Ventile sind zusammen mit den in ihren
Aufnahmehohlraum mündenden Strömungskanälen
bevorzugt insoweit identisch aufgebaut, dass ein funktionsspezifischer
Ventileinsatz gleichermaßen in jedem der beiden Ventilgehäuse
verwendbar ist. Die in beiden Ventilgehäusen vorgesehenen Strömungskanäle
münden also bevorzugt jeweils an gleicher Stelle in einen
für beide Ventile identisch ausgestalteten Aufnahmehohlraum.
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Durch
bloßen Austausch eines ersten funktionsspezifischen Ventileinsatzes
durch einen zweiten funktionsspezifischen Ventileinsatz (anderer
Bauart bzw. Funktion) lässt sich damit die Funktionscharakteristik
des betreffenden Ventils und hierüber im Ergebnis das Fail-Safe-Verhalten
des gesamten Stellungsreglers auf einfache Weise einstellen bzw.
abändern.
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Vorteilhaft
kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass
ein erfindungsgemäßer Stellungsregler zwei verschiedene – je
eine andere Funktionscharakteristik für das damit bestücktes
Ventil definierende – funktionsspezifische Ventileinsätze
aufweist, die in einer ersten Einbau-Konfiguration (Ventileinsatz
A in Ventil I; Ventileinsatz B in Ventil II) ein erstes Fail-Safe-Verhalten
des Stellungsreglers definieren, während sie in der zweiten
möglichen Ein bau-Konfiguration (Ventileinsatz B in Ventil
I; Ventileinsatz A in Ventil II) ein zweites Fail-Safe-Verhalten
für den Stellungsregler definieren, welches sich vom ersten
Fail-Safe-Verhalten unterscheidet. Die beiden genannten Einbau-Konfigurationen
unterscheiden sich dabei lediglich durch eine Vertauschung der beiden
funktionsspezifischen Ventileinsätze.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird jedoch nicht nur die Umrüstung
eines bestehenden Stellungsreglers im Hinblick auf ein geändertes
Fail-Safe-Verhalten erleichtert, sondern es wird auch im Falle der
Herstellung eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers,
also im Falle der Erstbestückung der betreffenden Aufnahmehohlräume
mit funktionsspezifischen Ventileinsätzen, eine besonders
einfache Anpassung des Stellungsreglers an den gewünschten
Einsatzzweck erlaubt. Eine mit der vorliegenden Erfindung realisierbare
Baureihe von Stellungsreglern mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten
ist daher durch einen – mit Ausnahme der Ventileinsätze – identischen
Aufbau aller Stellungsregler der Baureihe gekennzeichnet.
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Bei
den verschiedenen Funktionscharakteristiken der beteiligten Ventile,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch verschiedene in das
Gehäuse einzusetzende Ventileinsätze realisiert
werden, handelt es sich in besonders vorteilhafter Weise um eine
erste Funktionscharakteristik, bei der das betreffende Ventil im Falle
eines Energieausfalls selbsttätig in seine Schließstellung überführt
wird (z. B. durch eine den Ventilkörper in Richtung des
Ventilsitzes vorspannende Feder), und eine zweite Funktionscharakteristik,
bei der das betreffende Ventil im Falle eines Energieausfalls selbsttätig
in seine Öffnungsstellung überführt wird
(z. B. durch eine den Ventilkörper in seine vom Ventilsitz
beabstandete Öffnungsstellung vorspannende Feder). Es werden
im Rahmen der vorliegenden Erfindung also besonders bevorzugt wenigstens
zwei verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze bereitgestellt,
die gleichermaßen in die Aufnahmehohlräume der
Ventilgehäuse beider Ventile einsetzbar sind und durch
die funktionsspezifisch angepasste Ausgestaltung ihrer Schalteinheit
die vorstehend erwähnte Funktionalität bereitstellen.
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Die
zwei piezopneumatischen Ventile eines erfindungsgemäßen
Stellungsreglers werden mittels geeigneter elektrischer Stellsignale
auf piezoelektrische Weise separat betätigt, wodurch gleichzeitig
ein möglichst energieeffizienter Betrieb des Stellungsreglers
sichergestellt ist. Insoweit werden aus dem am Signaleingang des
Stellungsreglers eingehenden elektrischen Steuersignal unter Zuhilfenahme
einer an eine Energieversorgung angeschlossenen Steuer- bzw. Regelelektronik
(z. B. eines Mikrocontrollers) auf geeignete und bekannte Weise
zwei verschiedene Stellsignale für die beiden Verstellantriebe
der beiden piezopneumatischen Ventile berechnet und entsprechend
bereit gestellt.
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Bezüglich
des konkreten Aufbaus der piezopneumatischen Ventile sei auf die
insoweit aus dem Stand der Technik bekannten Arten piezopneumatischer
Ventile verwiesen, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung in
einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen
ist, dass der Verstellantrieb in Form einer piezopneumatischen Vorstufe,
also in Form eines piezopneumatischen Pilotventils, welches mittelbar
oder unmittelbar auf den Ventilkörper einer nachgeschalteten
Ventilstufe einwirkt, ausgeführt ist.
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Damit
sind die (wenigstens) zwei Ventile eines erfindungsgemäßen
Stellungsreglers in Art eines zweistufigen Ventils ausgebildet,
bei dem das als Vorstufe dienende und piezoelektrisch betätigbare
Pilotventil, welches seinerseits mit einer Druckgasversorgung verbunden
ist, als (pneumatischer) Verstellantrieb für den Ventilkörper
einer nachgeschalteten Booster-Stufe (Booster-Ventil) fungiert.
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Pilotventil
und Boosterventil können bevorzugt an die gleiche, am Versorgungseingang
des Stellungsreglers anliegende Druckgasversorgung angeschlossen
sein, wobei dem Pilotventil bevorzugt ein Druckbegrenzer vorgeschaltet
ist, so dass etwaige Schwankungen des Drucks in der Druckgasversorgung
keinen oder einen deutlich verminderten Einfluss auf die Stell-
bzw. Antriebsfunktion des Pilotventils haben. Der in den Aufnahmehohlraum
des Ventilgehäuses eingesetzte Ventileinsatz umfasst somit
die Schalteinheit des (Booster-)Ventils, dessen Ventilkörper
durch das als Vorstufe fungierende piezopneumatische Pilotventil
verstellt wird.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass das pneumatische Arbeitsglied eines
erfindungsgemäßen Stellungsreglers Teil eines ”einfach
wirkenden” Systems mit einer – an den Arbeitsausgang
der piezopneumatischen Ventileinheit angeschlossenen – Arbeitskammer
sein kann. Das Arbeitglied wird hierbei bevorzugt mittels einer
Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer gegen die Kraft einer Feder
verschoben. Die erfindungsgemäße Ventileinheit
bildet in diesem Fall ein 3/3-Wegesystem und weist hierfür
zwei pneumatisch gekoppelte Ventile auf.
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Gleichfalls
kommt für die vorliegende Erfindung jedoch in Betracht,
dass das mittels der Ventileinheit verstellbare Arbeitsglied Teil
eines ”doppelt wirkenden” Systems ist, bei welchem
auf das Arbeitsglied von verschiedenen Seiten zwei individuell mit
Druck beaufschlagbare Arbeitskammern zu dessen Verstellung einwirken.
Es versteht sich, dass die Ventileinheit eines erfindungsgemäßen
Stellungsreglers in diesem Fall zwei getrennte Arbeitsausgänge
für jede Arbeitskammer des Arbeitsglieds aufweist und dass
in einem solchen Fall insgesamt vier piezopneumatische Ventile vorzusehen
sind, von denen jeweils zwei Ventile pneumatisch miteinander gekoppelt
und einem Arbeitsausgang der Ventileinheit zugeordnet sind. Die
Ventileinheit bildet hier ein 5/3-Wegesystem, wobei erfindungsgemäß vorgesehen
ist, dass jedes der vier Ventile einen – wie be reits zuvor
erläutert – austauschbar in einen Aufnahmehohlraum
des jeweiligen Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen
Ventileinsatz aufweist, wodurch die Funktionscharakteristik jedes
der vier Ventile und damit das Fail-Safe-Verhalten des Stellungsreglers
in besonders einfacher Weise an den gewünschten Einsatzzweck
des Stellungsreglers anpassbar ist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in einer ersten Variante
vorgesehen sein, dass der Verstellantrieb jedes Ventils und die
Schalteinheit des zugehörigen Ventileinsatzes eine gemeinsame,
als ganzes austauschbare Baugruppe bilden. Verschiedene funktionsspezifische
Ventileinsätze umfassen dann als austauschbare Baugruppe
auch den Verstellantrieb des betreffenden Ventils.
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Alternativ
hierzu kann in einer zweiten Variante der Erfindung vorgesehen sein,
dass der Verstellantrieb jedes Ventils und die Schalteinheit des
zugehörigen Ventileinsatzes getrennte Baugruppen bilden,
wodurch zur Erzielung einer verschiedenen Funktionscharakteristik
des betreffenden Ventils nur die Schalteinheit (mit Ventilkörper
und Ventilsitz) des Ventils, nicht jedoch der Verstellantrieb des
betreffenden Ventils ausgetauscht werden muss.
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Beide
vorgenannten Varianten können sich – je nach der
konkreten Ausgestaltung des Verstellantriebs und seiner Anbindung
an den Ventilkörper – als vorteilhaft und einfacher
zu realisieren erweisen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
dass die die unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden
Ventils bewirkenden verschiedenen Ventileinsätze sich nur
im Umfang der jeweiligen Schalteinheit unterscheiden, wodurch insbesondere
auch der Verstellantrieb zu verschiedenen funktionsspezifischen
Ventileinsätzen baugleich ausgestaltet sein kann.
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Ferner
ist im Rahmen einer abermals bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, dass bei den Ventileinsätzen jeweils
der auf den Ventilkörper einwirkende Verstellantrieb und
die Schalteinheit gastechnisch durch ein mittels einer Membran von
der Schalteinheit abgetrenntes pneumatisches Volumen entkoppelt
sind, wodurch eine Entkopplung der verstellantriebsseitig und schalteinheitsseitig
vorherrschenden Betriebsmedien und -drücke realisiert ist.
Ferner kann mit einer solchen, bevorzugt mit dem Ventilkörper
der Schalteinheit gekoppelten Membran eine zusätzliche
(Rücksteil-)Kraft auf den Ventilkörper ausgeübt
werden, was eine selbsttätige Stabilisierung des Stellungsreglers
gegenüber kurzfristigen eingangs-, antriebs- oder ausgangseitige
Druckschwankungen befördert.
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In
besonders bevorzugter Art und Weise können die im Rahmen
der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Ventil gehäuse der
wenigstens zwei Ventile durch ein gemeinsames Ventilgehäuse
gebildet sein. Dabei bietet es sich zur Erzielung einer besonders
kompakten und robusten Bauweise insbesondere an, das gemeinsame
Ventilgehäuse in Form eines – wenigstens zwei
Aufnahmehohlräume aufweisenden – Ventilgehäuseblocks
mit mindestens einem Gehäusedeckel auszubilden. Der wenigstens
eine Gehäusedeckel verschließt bevorzugt die in
dem Ventilgehäuseblock vorgesehenen Aufnahmehohlräume
für die Ventileinsätze, wodurch nach Abnahme des
wenigstens einen Gehäusedeckels bzw. vor dessen Montage
ein geeigneter Zugang zu dem Aufnahmehohlraum besteht.
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Besonders
bevorzugt kann hierbei in einer nochmaligen Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, dass sich der jedem Ventil zugeordnete Aufnahmehohlraum
jeweils sowohl in den Ventilgehäuseblock als auch in den
Deckel hinein erstreckt, wobei dann in nochmals bevorzugter Weise
vorgesehen sein kann, dass der einem Ventil zugeordnete Verstellantrieb – zumindest
teilweise – in dem in den Deckel hineinragenden Bereich des
betreffenden Aufnahmehohlraumes untergebracht ist. Durch Abnahme
des Gehäusedeckels mitsamt dem darin untergebrachten Verstellantrieb
wird somit der Aufnahmehohlraum zum Einsatz oder Austausch eines funktionsspezifischen
Ventileinsatzes zugänglich.
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Bezüglich
der pneumatischen Kopplung der beiden Ventile und der Verschaltung
der Ventileinheit ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Arbeitsausgang
der Ventileinheit mit einem die beiden Aufnahmehohlräume miteinander
verbindenden Strömungskanal kommuniziert, d. h. mit diesem
strömungstechnisch verbunden ist.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung im vorstehend erläuterten Sinne
zunächst einen pneumatischen Stellungsregler betrifft,
ist festzustellen, dass sich die zur Realisierung des erfindungsgemäßen
Erfolgs notwendigen Merkmale – beinahe ausschließlich – in
der beschriebenen Ausgestaltung der piezopneumatischen Ventileinheit
manifestieren. Daher ist es gerechtfertigt, die vorliegende Erfindung
auch auf eine in Übereinstimmung mit den vorgenannten Merkmalen
ausgestaltete piezopneumatische Ventileinheit für einen
pneumatischen Stellungsregler zu beziehen. Eine solche erfindungsgemäße
Ventileinheit umfasst zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische
Ventile, wobei die Ventileinheit einen Signaleingang für
ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung
anschließbaren Versorgungseingang, einen an das pneumatische
Arbeitsglied angeschlossenen Arbeitsausgang und einen Entlüftungsausgang
für das Arbeitsmedium aufweist. Die erfindungsgemäße
Ventileinheit ist dabei ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile
jeweils ein Ventilgehäuse und einen in einen Aufnahmehohlraum
des betreffenden Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen
Ventileinsatz mit einer durchströmten Schalteinheit aufweisen, wobei
der Ventilsitz und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines
Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper an der Schalt einheit
des Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse
angeordnete Strömungskanäle dergestalt in den
zugeordneten Aufnahmehohlraum münden, dass bei identischem
Ventilgehäuse durch Austausch des Ventileinsatzes unterschiedliche
Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils realisierbar
sind.
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Ersichtlich
gelten bezüglich der Vorteile einer solchen Ventileinheit
wie auch bezüglich bevorzugter Weiterbildungen einer solchen
Ventileinheit alle vorstehend genannten Aspekte in gleicher Weise,
so dass insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden
Ausführungen verwiesen sei.
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Nachfolgend
sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
pneumatischen Stellungsreglers mit einer erfindungsgemäßen
piezopneumatischen Ventileinheit,
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2 einen
Schnitt durch den Gehäuseblock der in 1 dargestellten
Ventileinheit,
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3 einen
Schnitt durch den Gehäuseblock der bereits in den 1 und 2 dargestellten
Ventileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen,
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4 einen
Schnitt durch den Gehäuseblock eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Ventileinheit und
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5 einen
Schnitt durch das Ventilgehäuse des in 2 links
teilweise dargestellten Ventils.
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Der
in 1 schematisch dargestellte pneumatische Stellungsregler 1 umfasst
eine erfindungsgemäße piezopneumatische Ventileinheit 2,
die auf ein pneumatisches Arbeitsglied 3 einwirkt. An der
Ventileinheit 2 ist ein an eine Druckgasversorgung anschließbarer
Versorgungseingang 4, ein mit dem Arbeitglied 3 verbundener
Arbeitsausgang 5 sowie ein mit der Atmosphäre
verbundener oder geeignet gefasster Entlüftungsausgang 6 vorgesehen.
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Das
vorliegend als einfach wirkendes System ausgestaltete pneumatische
Arbeitsglied 3 des pneumatischen Stellungsreglers 1 umfasst
einen innerhalb eines Zylinders 7 gegen die Kraft einer
Feder 8 verschiebbaren Kolben 9, mit welchem z.
B. eine – nicht dargestellte – Klappe oder ein
Ventil betätigt werden kann. Zur Verstellung des – prinzipiell
auch auf andere Weise ausgestaltbaren – pneumatischen Arbeitsgliedes 3 ist
dessen Arbeitskammer 10 an dem Arbeitsausgang 5 der
piezoelektrischen Ventileinheit 2 angeschlossen.
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Die
piezopneumatische Ventileinheit 2 umfasst ferner zwei piezopneumatische
Ventile 11, 12, die pneumatisch miteinander gekoppelt
und mit dem Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 verbunden
sind. Das links dargestellte Ventil 11 dient durch seine
Verbindung mit dem Versorgungseingang 4 der Ventileinheit 2 dem
Druckaufbau in der Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3,
während das rechts dargestellte Ventil 12 durch
seine Verschaltung mit dem Entlüftungsausgang 6 dem
Druckabbau in der Arbeitskammer 10 dient.
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Jedes
der beiden Ventile 11, 12 weist genau einen funktionsspezifischen
Ventileinsatz 13, 14 auf, wobei sich die Ventileinsätze 13, 14 hinsichtlich
der funktionsspezifischen Ausgestaltung ihrer jeweiligen Schalteinheit 15, 16 unterscheiden,
wie dies den 1 und 2 zu entnehmen
ist und weiter unten noch näher erläutert wird.
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Die
piezopneumatischen Ventile 11, 12 umfassen je
eine als Verstellantrieb 17, 18 fungierende und
für beide Ventile 11, 12 identisch ausgebildete
piezopneumatischen Vorstufe 19, 20, mit denen
die jeweilige Schalteinheit 15, 16 (bzw. der darin
angeordnete Ventilkörper 21, 22; vgl. 2)
betätigt wird, wie dies durch die gestrichelten Pfeile 23, 24 angedeutet
ist. Jedes piezopneumatische Pilotventil 19, 20 ist über
einen gemeinsamen Druckbegrenzer 25 eingangsseitig mit
der am Versorgungseingang 4 der Ventileinheit 2 anliegenden
Druckgasversorgung verbunden und wird über ein piezoelektrisches
Element 27, 28, das seinerseits mit einem elektrischen
Regelschaltkreis in Form eines programmierbaren Mikrocontrollers 26 verbunden
ist, betätigt.
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Der
Mikrocontroller 26 ist an den Signaleingang 29 für
ein elektrisches Steuersignal sowie eine nicht darge stellte elektrische
Energie- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen. Er berechnet abhängig
von dem einen Sollwert für die Stellgröße
repräsentierenden Steuersignal und dem Istwert der Stellgröße
geeignete Stellsignale für die beiden piezoelektrischen
Elemente 27, 28.
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Als
Stell- bzw. Regelgröße für den dargestellten
Stellungsregler 1 kann beispielsweise die am Arbeitsglied 3 mittels
eines geeigneten Sensors üblicher Bauart bestimmbare Lage
des Kolbens 9 oder der mittels eines Drucksensors bestimmbare
Druck in der Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3 bzw.
am Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 dienen.
Ein hierfür zur Verwendung kommender und der besseren Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellter Sensor ist bevorzugt ebenfalls mit dem
Mikrocontroller verbunden, um aus dem vom Sensor bestimmten Istwert
der Stellgröße ein geeignetes Stellsignal für
die Verstellantriebe 17, 18 der beiden piezopneumatischen
Ventile 11, 12 zu berechnen.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den gestrichelt angedeuteten Ventilgehäuseblock 30 der
piezopneumatischen Ventileinheit 2 aus 1.
Der einteilige Ventilgehäuseblock 30 bildet die
beiden Ventilgehäuse 31, 32 zur Aufnahme
der Ventileinsätze 13, 14 der Ventile 11, 12 aus.
Jeder Ventileinsatz 13, 14 ist in einem identischen
Aufnahmehohlraum 33, 34 dichtend aufgenommen.
In die Aufnahmehohlräume 33, 34 münden
Strömungskanäle 35, 36, 37 derart,
dass sie mit den Anschlüssen korrespon dierender Strömungskanäle
der Schalteinheiten 15, 16 der Ventileinsätze 13, 14 verbunden
sind. Die Ventile 11, 12 sind dabei über
den Strömungskanal 36, der gleichzeitig mit dem
Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 kommuniziert,
pneumatisch gekoppelt.
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Beide
linearverschiebbaren Ventilkörper 21, 22 der
Ventile 11, 12 sind jeweils mittels einer – in 2 nicht
dargestellten – Feder 38, 39 in die in 2 dargestellte
und den Fail-Safe-Zustand bei Ausfall der elektrischen Energie definierende
Schaltstellung vorgespannt und können durch den (in 2 nicht
dargestellten und gemäß der Pfeile V1 und V2 mittelbar
auf den Ventilkörper 21 bzw. 22 einwirkenden)
piezopneumatischen Verstellantrieb 17, 19, 23 bzw. 18, 20, 24 entgegen
der jeweiligen Federkraft Ffeder verstellt
werden. Die durch die piezoelektrischen Pilotventile 19, 20 gebildeten
Verstellantriebe 17, 18 beider Ventile 11, 12 sind
vorliegend derart an die Ventilkörper angekoppelt, dass
bei einem Ausfall der elektrischen Energie von diesen keine Kraft mehr
auf die Ventilkörper 21 bzw. 22 ausgeübt
wird.
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Dabei
ist der Ventilkörper 21 des links dargestellten
Ventileinsatzes 13 durch die Federkraft Ffeder gegen
seinen Ventilsitz 40, also in eine Schließstellung,
vorgespannt, während der Ventilkörper 22 des
rechts dargestellten Ventileinsatzes 14 durch die Federkraft
Ffeder in eine von seinem Ventilsitz 41 beabstandete Öffnungsstellung
vorgespannt ist. Das links dargestell te Ventil 11 besitzt
somit eine sich bei Energieausfall schließende Funktionscharakteristik
(= ”normal geschlossen (NG)”), während
das rechts dargestellte Ventil 12 eine sich bei Energieausfall öffnende
Funktionscharakteristik (= ”normal offen (NO)”)
aufweist. Für den in 1 insgesamt
dargestellten Stellungsregler 1 bedeutet dies, dass bei
Ausfall der elektrischen Energie der Arbeitsausgang 5 über
das sich öffnende Ventil 12 mit dem Entlüftungsausgang 6 verbunden
und durch das sich schließende Ventil 11 von der
am Versorgungseingang 4 anliegenden Druckgasversorgung
entkoppelt wird, wodurch die Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3 entlüftet
wird. Der Kolben 9 des Arbeitsglieds 3 nimmt somit unter
Einwirkung der Feder 8 die bei druckloser Arbeitskammer 10 vorgegebene
Endlage ein.
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3 zeigt
nun einen Schnitt durch den Gehäuseblock 30 der
bereits in den 1 und 2 dargestellten
Ventileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen 13, 14.
Es wird sofort klar, dass nun bei einem Ausfall der elektrischen
Energie das linke Ventil 11 die dargestellte Öffnungsstellung
einnimmt (= Funktionscharakteristik ”NO”), während
das rechte Ventil 12 seine Schließstellung einnimmt
(= Funktionscharakteristik ”NG”). Im Ergebnis
wird der Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 mit
der am Versorgungseingang 4 anliegenden Druckgasversorgung
verbunden und von dem Entlüftungsausgang 6 entkoppelt,
wodurch der Druck am Arbeitsausgang 5 steigt, so dass der
Kolben 9 des Arbeitglieds 3 gegen die Kraft der
Feder 8 die gegenüber dem Ausführungsbei spiel
aus den 1 und 2 entgegengesetzte
Endlage seines maximalen Verfahrweges einnimmt.
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4 zeigt
einen Schnitt durch den Ventilgehäuseblock 30 eines
weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
bei dem wiederum der Stellungsregler 1 bzw. die Ventileinheit 2 als
solche – mit Ausnahme der zur Verwendung kommenden Ventileinsätze 13 – identisch
ausgestaltet sind.
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Hier
sind für die beiden Ventile 11, 12 zwei
identische funktionsspezifische Ventileinsätze 13 gewählt, deren
Schalteinheiten 15 bei Energieausfall beide in eine das
betreffende Ventil 11, 12 schließende
Stellung überführt werden. Somit wird die Arbeitskammer 10 eines
an den Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit angeschlossenen
Arbeitsglieds 3 sowohl vom Versorgungseingang 4 als
auch vom Entlüftungsausgang 6 der Ventileinheit 2 entkoppelt,
so dass sich der Druck in der Arbeitskammer 10 nicht ändert,
also gleich bleibt. Das Arbeitsglied 3 bzw. dessen Kolben 9 behält
damit seine vor dem Energieausfall eingenommene Position bei.
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5 zeigt
schließlich noch einen Schnitt durch das Ventilgehäuse 31 des
in 2 links dargestellten Ventils 11. Dabei
umfasst das Ventilgehäuse 31 einen Ventilgehäuseblock 30 und
einen den Ventileinsatz 13 abdeckenden Gehäusedeckel 42,
in denen ein das gesamte Ventil 11 (inkl. Pilotventil 19)
aufnehmender Aufnahmehohlraum 33 ausgebildet ist, wobei
das den Verstellan trieb 17 bildende Pilotventil 19 vollständig
in dem in den Gehäusedeckel 42 hineinragenden
Bereich des Aufnahmehohlraumes 33 untergebracht ist. Der
Doppelpfeil P kennzeichnet die lineare Verschiebbarkeit der mit
dem Ventilkörper 21 verbundenen Ventilbestandteile.
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Das
als Verstellantrieb 17 fungierende Pilotventil 19 ist
durch ein mittels der Membran 43 von der Schalteinheit 15 des
Ventileinsatzes 13 abgetrenntes und stets entlüftetes
pneumatisches Volumen 44 von der Schalteinheit 15 entkoppelt.
Die Membran 43 ist dabei mittelbar mit dem Ventilkörper 21 verbunden
und übt auf diesen, sobald er gegen die Kraft Ffeder der innerhalb des Strömungskanals 35 abgestützten
Feder 38 verschoben wird, eine Rückstellkraft
Frück auf den Ventilkörper
aus, die – wie auch eine sich aus der Geometrie des Boosterventils
ergebende Kraft Fsitz – der Stellkraft
Fst des Pilotventils 19 entgegengerichtet
ist. Das sich hierbei zu jedem Zeitpunkt einstellende Kräftegleichgewicht
wirkt selbststabilisierend für das gesamte System gegenüber
Systemschwankungen aller Art.
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Die
nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zeigen die bei verschiedener Bestückung
der Ventile
11,
12 mit den vorstehend erläuterten
Ventileinsätzen
13,
14 realisierbaren
Funktionscharakteristiken der betreffenden Ventile
11,
12 in
Abhängigkeit vom Betätigungszustand des Pilotventils
19,
20 des
jeweiligen Ventils bzw. das sich hieraus ergebende Fail-Safe-Verhalten einer
vorstehend anhand der
1–
4 im
Grundsatz erläuterten Ventileinheit
2.
| Ausführung
der (Booster-)Ventile 11, 12 | Änderung
des Drucks am Arbeitsausgang |
| funktionsspez. Ventileinsatz
in Ventil 11 (Funktionscharakteristik) | Betätigungszustand
Pilot 19 | funktionsspez. Ventileinsatz
in Ventil 12 (Funktionscharakteristik) | Betätigungszustand
Pilot 20 | |
| 13 (NG) | aus | 14 (NO) | aus | sinkt |
| aus | ein | keine Änderung |
| ein | aus | undefiniert |
| ein | ein | steigt |
| 14 (NO) | aus | 13 (NG) | aus | steigt |
| aus | ein | undefiniert |
| ein | aus | keine Änderung |
| ein | ein | sinkt |
| 13 (NG) | aus | 13 (NG) | aus | keine Änderung |
| aus | ein | sinkt |
| ein | aus | steigt |
| ein | ein | undefiniert |
| 14 (NO) | aus | 14 (NO) | aus | undefiniert |
| aus | ein | steigt |
| ein | aus | sinkt |
| ein | ein | keine Änderung |
Tabelle
1
| Funktionscharakteristik
der Ventile | Verhalten
des Ausgangsdrucks bei Ausfall |
| Ventil
11 | Ventil
12 | elektrische
Energie | Druckgasversorgung |
| NG | NO | sinkt | sinkt |
| NO | NG | steigt | sinkt |
| NG | NG | keine Änderung | sinkt |
| NO | NO | undefiniert | sinkt |
Tabelle
2
-
Und
schließlich zeigt Tabelle 3 das funktionscharakteristikabhängige
Fail-Safe-Verhalten eines weiteren erfindungsgemäßen
Stellungsreglers, der in an sich bekannter Art an ein doppelt wirkendes
Arbeitsglied angeschlossen ist und hierzu vier piezopneumatische
Ventile A1, A2, B1, B2 der erläuterten Art aufweist. Die Ventile
A1, B1 dienen zur Steuerung des Drucks in einer ersten, mit einem
ersten Arbeitsausgang der Ventileinheit verbundenen Arbeitskammer
des Arbeitsglieds, während die Ventile A2, B2 zur Steuerung
des Drucks in einer zweiten, mit einem zweiten Arbeitsausgang der
Ventileinheit verbundenen Arbeitskammer dienen.
| Funktionscharakteristik
der Ventile | Verhalten
des Ausgangsdrucks bei Ausfall |
| A1 | A2 | B1 | B2 | elektrische
Energie | Druckgasversorgung |
| | | | | Kammer
1 | Kammer
2 | Kammer
1 | Kammer
2 |
| NG | NG | NO | NO | sinkt | sinkt | sinkt | sinkt |
| NO | NO | NG | NG | steigt | steigt | sinkt | sinkt |
| NG | NG | NG | NG | k. Änd. | k. Änd. | sinkt. | sinkt. |
| NO | NO | NO | NO | undef. | undef. | sinkt | sinkt |
| NG | NO | NO | NG | sinkt | steigt | sinkt | sinkt |
| NO | NG | NG | NO | steigt | sinkt | sinkt | sinkt |
Tabelle
3
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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