DE102011106328A1 - Stellungsregler - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler (1) für einen pneumatischen Stellantrieb (2), der über ein Stellorgan (3) ein Stellglied (7) betätigt. Um bei einfacher Bauart dennoch hohen Genauigkeitsanforderungen zu genügen, wird vorgeschlagen, zur Stellungsregelung ein Drehspulmesswerk (11) bestehend aus einem Polschuh (111) und einem in diesem Polschuh gelagerten Kern (114) sowie einer Drehspule (112) vorzusehen. Der Polschuh (111) ist drehbar gelagert und mit einem Stellhebel (5) verbunden, der mit dem Stellorgan (3) des Stellantriebs (2) ver2) betätigten Stellglieds (7) angibt. Die Drehspule (112) ist innerhalb des Polschuhs (111) um den Kern (114) drehbar gelagert und mit einem Düse-Prallplatte-System (12) verbunden, wobei die Drehbewegung der Drehspule (112) den Abstand der Prallplatte (122) zur Düse (121, 121') drehrichtungsabhängig ändert.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler für einen pneumatischen Stellantrieb, der über ein Stellorgan ein Stellglied betätigt.
- Derartige pneumatische Stellantriebe sind einschlägig bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2007 019 045 A1 ausführlich beschrieben. In Abhängigkeit von einem pneumatischen Steuerdruck wird ein mechanisches Stellglied an eine vorgegebene Position verfahren. Als Stellglied sind Ventile, Klappen oder andere den Durchfluss eines Prozessmediums regulierenden Einrichtungen geeignet. - Stellungsregler für pneumatische Stellantriebe sind ausgebildet, ein elektrisches Steuersignal, das den Sollwert für die Position abbildet, in einen adäquaten Steuerdruck umzusetzen. Der Sollwert wird dabei regelmäßig als eingeprägter Strom von 0/4..20 mA über eine Zweidrahtleitung übertragen.
- Aus der
DE DE 100 16 636 A1 ist bekannt, dass ein solcher Stellungsregler eine Vielzahl komplexer mechanischer Bauteile aufweist, deren Herstellung sehr aufwendig und damit teuer ist. - Bekannte Stellungsregler im Niedrigpreissegment haben Genauigkeitsdefizite, die den praktischen Einsatz in vielen Anwendungsbereichen unmöglich machen.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsregler anzugeben, der trotz einfacher Bauart hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht wird.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
- Der Kern der Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem für sich bekannten Drehspulmesswerk bestehend aus einem Polschuh und einem in diesem Polschuh gelagerten Kern sowie einer Drehspule. Der Polschuh ist drehbar gelagert und mit einem Stellhebel verbunden, der mit dem Stellorgan des Stellantriebs verbunden ist und die Position des vom Stellantrieb betätigten Stellglieds angibt.
- Die Drehspule ist innerhalb des Polschuhs um den Kern drehbar gelagert und mit einem für sich bekannten Düse-Prallplatte-System verbunden, wobei die Drehbewegung der Drehspule den Abstand der Prallplatte zur Düse drehrichtungsabhängig ändert.
- Die Drehspule ist durch eine Spiralfeder mit dem Polschuh des Drehspulmesswerks verbunden. Die Federkraft der Spiralfeder ist der Anströmung der Prallplatte entgegen gerichtet. Dadurch bewirkt die Spiralfeder eine Nullpunkteinstellung der Prallplatte vor der Düse.
- Der als eingeprägter Strom empfangene Sollwert der Position ist auf die Drehspule geschaltet. In Abhängigkeit von der Stromstärke wird die Drehspule gegenüber dem Kern gedreht und verändert den Abstand der Prallplatte zur Düse.
- Die wirksame Abstandsänderung der Prallplatte zur Düse ist die Differenz aus dem Sollwert – das ist der eingeprägte Strom – und dem Istwert der Position – das ist die Stellung des Stellorgans am Stellantrieb beziehungsweise Stellglied.
- Auf das Drehspulmesswerk wirkt eine äußere Kraft, die aus dem Stellungsistwert des Stellorgans resultiert und am Polschuh angreift, und eine innere Kraft, die als elektrischer Strom zugeführter Sollwert an der Drehspule angreift. Das Drehspulmesswerk befindet sich im Kräftegleichgewicht, wenn die äußere Kraft (Istwert) gleich der inneren Kraft (Sollwert) ist. Dieses Kräftegleichgewicht findet seinen Ausdruck in einer bestimmten Stellung der Prallplatte zur Düse des Düse-Prallplatte-Systems.
- In Abhängigkeit von der Regelabweichung – Differenz aus Sollwert und Istwert – wird durch die Drehspule je nach Vorzeichen und Betrag der Abstand der Prallplatte zur Düse des Düse-Prallplatte-Systems verkleinert oder vergrößert. Demgemäß ändert sich der Steuerdruck des pneumatischen Stellantriebes und der Stellantrieb verfährt das Stellorgan in Richtung sinkender Regelabweichung.
- Vorteilhafterweise wird durch eine einzige elektromechanische Anordnung einfachen Aufbaus die Differenz zwischen einem elektrischen Signal, dem Sollwert, und einem mechanischen Signal, dem Istwert der Position, gebildet und die Regelabweichung als pneumatisches Signal, in Form eines adäquaten Steuerdrucks, ausgegeben. Auf diese Weise gelingt es, die technische Funktion in der geforderten Genauigkeit mit minimalem technischem Aufwand zu erfüllen.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der äußere Polschuh des Drehspulmesswerks zum inneren Kern einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt auf. Aufgrund des winkelabhängigen Luftspalts ist jeder Position des Ventils eine winkelabhängige Feldstärke gegenüber der Drehspule zugeordnet.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Drehspule ein Widerstand parallelgeschaltet. Mit diesem Widerstand ist die Spanne des Düse-Prallplatte-Systems einstellbar.
- Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine Prinzipdarstellung eines Stellungsreglers
1 mit den erfindungswesentlichen Merkmalen eines Stellantriebs2 , der auf ein Stellorgan3 wirkt, gezeigt. - Der Stellungsregler
1 ist als Drehspulmesswerk11 und einem hiermit verbundenen Düse-Prallplatte-System12 ausgebildet. Das Drehspulmesswerk11 besteht aus einem drehbar angeordneten Polschuh111 , einem koaxial darin angeordneten Kern114 und einer Drehspule112 , die zwischen dem Kern114 und dem Polschuh111 koaxial drehbeweglich angeordnet ist. - Das Stellorgan
3 ist mit einem Stellglied7 , das hier als Ventil zur Regulierung des Durchflusses eines Prozessmediums durch eine Rohrleitung4 ausgebildet ist, verbunden. Das Stellglied7 ist über das Stellorgan3 mit dem pneumatischen Stellantrieb2 verbunden, der in einer ersten Ausführungsform der Erfindung als einfachwirkender Stellantrieb2 , bei dem eine Stellrichtung des Stellantriebs2 beim Belüften pneumatisch getrieben ist und die Gegenstellrichtung beim Entlüften durch die Kraft einer gestrichelt dargestellten Druckfeder21 getrieben ist. - Das Stellorgan
3 ist über eine Getriebeanordnung6 gelenkig derart über einen Stellhebel5 mit dem Polschuh111 des Drehspulmesswerks11 verbunden, dass die Stellbewegung des Stellorgans3 in eine adäquate, konzentrische Drehbewegung des Polschuhs111 umgesetzt wird. Im Einzelnen ist die Getriebeanordnung6 durch einen Mitnehmer auf dem Stellorgan3 gebildet, der in einer schlitzförmigen Aufnahme des Stellhebels5 geführt ist. Die Hubbewegung des Stellantriebs2 und damit des Stellorgans3 wird durch die Getriebeanordnung6 in eine radiale Schwenkbewegung des Stellhebels5 und eine Drehbewegung des Polschuhs111 umgesetzt. Die Drehstellung des Polschuhs111 im Stellungsregler1 ist somit ein Maß für den Istwert der Ventilstellung des Ventils7 . - Insbesondere weist der Polschuh
111 einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt 116 zum Kern114 auf. Aufgrund des winkelabhängigen Luftspalts ist jeder Position des Ventils7 eine winkelabhängige Feldstärke gegenüber der Drehspule112 zugeordnet. - Der Stellungsregler
1 weist einen elektrischen Anschluss16 zum Empfang eines Sollwerts auf. Der Sollwert wird als Strom zugeführt. Die Drehspule112 des Drehspulmesswerks11 ist mit dem elektrischen Anschluss16 zum Empfang des Sollwerts verbunden. Der Stromfluss durch die Drehspule112 des Drehspulmesswerks11 bewirkt eine sollwertabhängige Drehbewegung gegenüber dem Polschuh111 . - In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehspule
112 des Drehspulmesswerks11 ein Widerstand113 parallelgeschaltet. Mit diesem Widerstand113 wird die Spanne des Düse-Prallplatte-Systems12 eingestellt. - Die Drehspule
112 des Drehspulmesswerks11 ist darüber hinaus mit der Prallplatte122 des Düse-Prallplatte-Systems12 verbunden. Das Düse-Prallplatte-System12 weist neben der Prallplatte122 eine Düse121 auf, die ausgehend von einem Prozessdruckanschluss15 über einen Druckminderer14 bestromt wird. In Abhängigkeit von dem Abstand der Prallplatte122 von der Düse121 ändert sich der Steuerdruck in der Düsenleitung, der über einen pneumatischen Verstärker13 den Stellantrieb2 belüftet oder entlüftet. - In Abhängigkeit von der Regelabweichung – Differenz aus Sollwert und Istwert – wird durch die Drehspule
112 je nach Vorzeichen und Betrag der Abstand der Prallplatte122 zur Düse121 des Düse-Prallplatte-Systems12 verkleinert oder vergrößert. Demgemäß ändert sich der Steuerdruck des pneumatischen Stellantriebes2 und der Stellantrieb2 verfährt das Stellorgan in Richtung sinkender Regelabweichung. - Im Gleichgewichtzustand – bei verschwindender Regelabweichung – ist die magnetische Kraft hervorgerufen durch den Stromfluss durch die Drehspule
112 betragsgleich der winkelabhängigen magnetischen Kraft des Polschuhs111 bei umgekehrtem Vorzeichen. - Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der pneumatische Stellantrieb
2 als doppeltwirkender Stellantrieb ausgebildet. Dabei werden beide Stellrichtungen pneumatisch getrieben. Der doppeltwirkenden Stellantrieb2 verzichtet auf die gestrichelt dargestellte Druckfeder21 . Statt dessen werden beide Kammern über individuelle pneumatische Verstärker13 und13 belüftet und entlüftet. Das Stellorgan3 wird entsprechend dem Druckunterschied in den beiden Kammern des Stellantriebs2 linear bewegt. Gegenüber der ersten Ausführungsform sind die Mittel zum Betrieb der zweiten Kammer des Stellantriebs2 gestrichelt dargestellt. Im Einzelnen sind ein zweiter pneumatische Verstärker13' , ein zweiter Prozessdruckanschluss15' und ein zweiter Druckminderer14' vorgesehen. Darüber hinaus ist das Düse-Prallplatte-System12 um eine weitere Düse121' erweitert. - Zur Ansteuerung beider Kammern des Stellantriebs
2 weist das Düse-Prallplatte-Systems12 zwei einander gegenüberliegende und in entgegengesetzte Richtungen ausströmende Düsen121 und121' auf, zwischen denen die Prallplatte122 angeordnet ist. Jede der Düsen121 und121' bildet mit der Prallplatte122 ein individuelles Düse-Prallplatte-Systems12 . Durch jede Bewegung der Prallplatte122 wird eine der Düsen121 oder121' geöffnet, während die jeweils gegenüberliegende Düse121' oder121 in demselben Maße verschlossen wird. - Jede der Düsen
121 und121' wird ausgehend von jeweils einem Prozessdruckanschluss15 und15' über jeweils einen zugeordneten Druckminderer14 und14' bestromt. In Abhängigkeit von dem Abstand der Prallplatte122 von der jeweiligen Düse121 und121' ändert sich der Steuerdruck in der zugehörigen Düsenleitung, der dem zugeordneten pneumatischen Verstärker13 und13' zugeführt wird. Die verstärkten pneumatischen Signale werden jeweils einer der beiden Kammern des Stellantriebs2 zugeführt, die wechselweise druckbeaufschlagt werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stellungsreegler
- 11
- Drehspulmesswerk
- 111
- Polschuh
- 112
- Drehspule
- 113
- Widerstand
- 114
- Kern
- 115
- Spiralfeder
- 116
- Luftspalt
- 12
- Düse-Prallplatte-System
- 121, 121'
- Düse
- 122
- Prallplatte
- 13, 13'
- pneumatischer Verstärker
- 14, 14'
- Druckminderer
- 15, 15'
- Prozessdruckanschluss
- 16
- elektrischer Anschluss
- 2
- Stellantrieb
- 21
- Druckfeder
- 3
- Stellorgan
- 4
- Rohrleitung
- 5
- Stellhebel
- 6
- Getriebeanordnung
- 7
- Stellglied, Ventil
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007019045 A1 [0002]
- DE 10016636 A1 [0004]
Claims (5)
- Stellungsregler (
1 ) für einen pneumatischen Stellantrieb (2 ), der über ein Stellorgan (3 ) ein Stellglied (7 ) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehspulmesswerk (11 ) bestehend aus einem Polschuh (111 ) und einem in diesem Polschuh (111 ) gelagerten Kern (114 ) sowie einer Drehspule (112 ) vorgesehen sind, wobei – der Polschuh (111 ) drehbar gelagert und mit einem Stellhebel (5 ) verbunden ist, der mit dem Stellorgan (3 ) des Stellantriebs (2 ) verbunden ist und die Position des vom Stellantrieb (2 ) betätigten Stellglieds (7 ) angibt, – die Drehspule (112 ) innerhalb des Polschuhs (111 ) um den Kern (114 ) drehbar gelagert und mit einem Düse-Prallplatte-System (12 ) verbunden ist, wobei die Drehbewegung der Drehspule (112 ) den Abstand der Prallplatte (122 ) zur Düse (121 ,121' ) drehrichtungsabhängig ändert. - Stellungsregler (
1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehspule (112 ) durch eine Spiralfeder (115 ) mit dem Polschuh (111 ) des Drehspulmesswerks (11 ) verbunden ist. - Stellungsregler (
1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Position als eingeprägter Strom auf die Drehspule (112 ) geschaltet ist - Stellungsregler (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Polschuh (111 ) des Drehspulmesswerks (11 ) zum inneren Kern (114 ) einen spiralförmigen, winkelabhängigen Luftspalt (116 ) aufweist. - Stellungsregler (
1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Drehspule (112 ) ein Widerstand (113 ) parallelgeschaltet ist.
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Citations (4)
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-
2011
- 2011-07-01 DE DE102011106328A patent/DE102011106328A1/de not_active Withdrawn
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