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Einrichtung an Druckgebern und Druckrelais zur Behebung des Umsteuerfehlers
Die Erfindung bezieht sich auf pneumatische oder hydraulische Druckgeber und -relais,
wie sie in selbsttätigen Regelanlagen verwendet werden, die ein Druckmittel als
Hilfskraft benutzen. Es sind Anordnungen dieser Art bekannt, bei denen das Einlaß-und
das Auslaßventil durch eine gemeinsame Schließplatte betätigt werden und der Drehpunkt
der Schließplatte außerhalb der beiden Achsen der Ventile liegt. Die Abstände zwischen
Einlaß- und Auslaßventil und dem Drehpunkt der Schließplatte sind hierbei verschieden.
Die. Ventile arbeiten bei derartigen Druckgebern und -relais wechselweise, d. h.
daß entweder das Einlaß- oder das Auslaßventil geöffnet ist oder daß beide geschlossen
sind, und derartige Anordnungen werden deshalb häufig Alternativverstärker genannt.
Sie besitzen den Nachteil, daß sie im allgemeinen mit einem sogenannten Umsteuerfehler
behaftet sind. Dieser Umsteuerfehler äußert sich darin, daß sich bei konstantem
Eingangsdruck der Ausgangsdruck sprunghaft ändert, sobald vom Zustand der Abgabe
des Druckmittels an den angeschlossenen Verbraucher ein Übergang in den Zustand
der Aufnahme des Druckmittels von dem Verbraucher erfolgt. So ist z. B. ein Umsteuerfehler
zu erwarten, wenn ein pneumatisch betätigtes Stellglied durch Verstellen eines Druckminderers
gesteuert werden soll und bei Einstellung eines hohen Druckes zunächst Druckluft
von dem Druckminderer nach dem Stellglied strömt und dann bei Einstellung eines
geringeren Druckes das Stellglied wieder Luft an den Druckminderer abgibt.
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Bei Alternativverstärkern ist der Umsteuerfehler dadurch bedingt,
daß beim öffnen eines Ventils zunächst ein gewisser Anlagedruck, mit dem der Ventilkörper
am Ventilsitz aufliegt, überwunden werden muß, so daß z. B. bei der Umkehr der Wirkungsweise
eines Ventils eine Verzögerung auftritt. Der Anlagedruck kann, soweit er durch Federkräfte
bedingt ist, zwar klein gehalten werden, er ist aber ebenfalls abhängig von der
Druckdifferenz zwischen Zuluft und Atmosphäre gegenüber dem Steuerluftdruck und,
da der Steuerluftdruck variabel ist, eine vom Steuerluftdruck abhängige Größe. Dieser
bisher als unvermeidbar hingenommene Umsteuerfehler wurde bei den bekannten Alternativverstärkern
in seiner Bedeutung herabgesetzt, indem man entweder die Ventilsteuerkräfte sehr
groß gegenüber den Druckkräften auf die Ventilsitzflächen machte oder indem man
durch die Verwendung eines zusätzlichen Verbrauchers in dem Steuerluftdrucksystem
die Unstetigkeit in der Durchströmcharakteristik aus dem Nullpunkt herausversetzte.
Mit der letzteren Maßnahme nimmt man allerdings einen ständigen Luftverbrauch in
Kauf und nähert sich damit den Verhältnissen eines sogenannten Drosselverstärkers,
der keinen Umsteuerfehler, dafür aber einen hohen Luftverbrauch aufweist.
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Erfindungsgemäß wird der Umsteuerfehler dadurch behoben, daß an der
Schließplatte, den beiden Ventilen gegenüberliegend, eine Fläche vorgesehen ist,
welche dem Druck in der Umgebung des Druckgebers bzw. -relais ausgesetzt ist. Die
Größe dieser Fläche ist der Erfindung zufolge so zu bemessen, daß an der Schließplatte
allein der Überdruck des zugeführten Druckmittels gegenüber dem in der Umgebung
herrschenden Druck und die Kraft einer Schließfeder wirksam werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke schematisch dargestellt.
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Abb. 1 stellt einen Druckgeber bekannter Bauart dar, wie er z. B.
zur Speisung oder Steuerung von Regelanlagen benutzt wird, die mit einer pneumatischen
Hilfskraft arbeiten; Abb. 2 zeigt das Verhalten des Ausgangsdruckes an einem Druckgeber
nach Abb. 1 in Abhängigkeit von der Luftentnahme; in Abb. 3 ist ein Druckgeber wiedergegeben,
bei dem erfindungsgemäß das Auftreten eines Umsteuerfehlers vermieden wird.
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Der Druckgeber nach Abb. 1 besitzt eine Einlaßdüse 1, welche durch
die Schließplatte 2 abgedeckt wird. Die Schließplatte 2 ist an dem Auflagestift
3 drehbar gelagert; sie wird durch die Zugfeder 4 mit dem Auflagestift 3 gegen den
Auflagepunkt 5 am Gehäuse. 6 und gleichzeitig gegen die Einlaßdüse 1 gedrückt.
In
die Wandung des Gehäuses 6 ist neben der Einlaßdüse 1 eine Balgfeder 7 eingesetzt,
welche an ihrem beweglichen Boden 8 mit einer Auslaßdüse 9
versehen
ist. Ober der Auslaßdüse 9 ist an der Schließplatte 2 der Ventilkörper 10
angebracht.
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An dem Boden der Balgfedc.r 7 liegt die Schraubenfeder 11 an. Die
auf die Balgfeder 7 einwirkende Kraft der Schraubenfeder 11 kann durch die Gewindespindel
12 mit Hilfe des Drehgriffes 13 verändert werden. Die Zuluft wird an der Einlaßdüse
1 zugeführt. An den Ausgang 14 werden die von dem Druckgeber zu betätigenden
Geräte angeschlossen.
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Im stationären Zustand sind die Einlaßdüse 1 und die Auslaßdüse 9
geschlossen. Es besteht Gleichgewicht zwischen der Wirkung des Druckes im Innenraum
15 auf die wirksame Fläche des Federbalges 7 und der Kraft der Schraubenfeder
11.
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Entnimmt man am Ausgang 14 des Druckgebers Luft, so sinkt der
Druck im Innenraum 15, und die Balgfeder 7 wird etwas zusammengedrückt. Hierdurch
wird die Schließplatte 2 von der Einlaßdüse entfernt, so daß Luft nachströmt.
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Kehrt man die Strömungsrichtung am Ausgang 14
des Druckgebers
um, wie es z. B. bei Erhöhung des Druckes in angeschlossenen Geräten der Fall sein
dürfte, so steigt auch der Druck im Innenraum 15.
Die Balgfeder 7 wird demzufolge
ausgedehnt und die Auslaßdüse 9 geöffnet.
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In Abb. 2 ist der funktionelle Zusammenhang des Druckverlaufes über
der Luftentnahme des Druckgebers dargestellt. In Richtung der Ordinate ist der Druckunterschied
p"-p, zwischen dem eingestellten Sollwert des Druckes p, und dem Druck am Ausgang
des Druckgebers p, in kg/m-' und in Richtung der Abszisse die Luftentnahme Q in
m3/h aufgetragen. Die Kurve zeigt in der Nähe des Nullpunktes einen unstetigen Verlauf.
Diese den Umsteuerfehle.r kennzeichnende Unstetigkeit der Kurve rührt daher, daß
nach dem Schließen der Einlaßdüse 1 durch die Schließplatte 2 infolge der weiteren
Bewegung des Federbalges 7 die Auslaßdüse 9 geöffnet wird. Hierbei ist nicht mehr
die ganze wirksame Fläche des Federbalges 7 dem Innendruck ausgesetzt, wie es der
Fall ist, solange die Auslaßdüse 9 kraftschlüssig durch den Ventilkörper
10 mit der Schließplatte 2
verbunden ist. Es wird vielmehr als Folge
des Umkehrens durch das Öffnen der Auslaßdüse die für den Innendruck wirksame Fläche
des Federbalges 7 um die wirksame Fläche der Auslaßdüse 9 herabgesetzt. Es muß also
der Druck im Innenraum etwas ansteigen, um die. Auslaßdüse 9 zu öffnen. Der als
Umsteuerfehler in Erscheinung tretende Druckanstieg isi in der Kurve mit U gekennzeichnet.
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Der in Abb. 3 dargestellte Druckgeber besitzt in gleicher Weise wie
das Gerät nach Abb. 1 die wechselweise wirkende Einlaß- und Auslaßdüse 1 und 9,
welche durch die Schließplatte 2 mit Hilfe des Federbalges 7 betätigt werden. Zur
Behebung des Umsteuerfehlers ist dem Ventilkörper 10 und der Auslaßdüse 9 gegenüberliegend
die Balgfeder 16 einerseits mit der Schließplatte 2 und andererseits mit der Öffnung
im Gehäuse 6 druckdicht verbunden. Hierdurch wird ein Teil der Schließplatte 2 dem
äußeren Luftdruck ausgesetzt. Die Größe der wirksamen Fläche, welche dem äußeren
Luftdruck ausgesetzt wird, ist erfindungs-Lmüß so zu wählen, daß die Zugfeder 4
allein (lern Druck der durch die Einlaßdüse 1 auf die Schließplatte 2 wirkenden
Zuluft das Gleichgewicht halten muß. Aus der folgenden mathematischen Darstellung
ist die Richtigkeit dieser Überlegung zu ersehen.
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Unter Verwendung der in Abb.3 eingetragenen Bezeichnungen wird für
die um den Auflagepunkt 5 drehbare Schließplatte 2 die Drehmomentengleichung aufgestellt:
K-11 +F1*11(Pe-P") +p"(F3-F2)12-13c.x=0. (1)
Hierin bedeutet K die Kraft,
mit welcher die Schließplatte 2 unter Einwirkung der Zugfeder 4 auf
der Einlaßdüse 1 aufliegt; p,, den Überdruck der zugeführten Druckluft an der Einlaßdüse
1 gegenüber der Umgebung; p" den Überdruck der Luft am Ausgang des Druckgebers
14 und zugleich im Innenraum 15 gegenüber der Umgebung; F1 die wirksame Fläche,
mit welcher der Überdruck p, auf die Schließplatte 2 einwirkt; FZ die wirksame
Fläche, mit welcher der überdruck p" auf den Ventilkörper 10 einwirkt; F3
die wirksame Fläche, mit welcher der Luftdruck in der Umgebung des Druckgebers auf
die Schließplatte 2 einwirkt; es ist dies die von der Balgfeder 16 an der Schließplatte
freigelassene Fläche; c die Federkonstante der Zugfeder 4;
x die Auslängung
der Zugfeder 4; 11 den Abstand der Einlaßdüse 1 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte
2; 12 den Abstand der Auslaßdüse 9 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte 2; 13 den
Abstand der Zugfeder 4 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte 2. Die Erfindung sieht
vor, daß die Wirkung des inneren Überdruckes p" auf die wirksame Fläche F, der Einlaßdüse
1 und auf die wirksame Fläche F2 der Auslaßdüse 9 durch die vom Druck in
der Umgebung des Druckgebers belastete Fläche F3 aufgehoben wird. ,Dies ist der
Fall, wenn in Gleichung (1) die Summe der Faktoren von p" zu Null wird: P,
- [(F3-F2)12-F, - 111 = 0. (2) Damit wird Gleichung (1) zu K-11+F,.11-Pe-13'C'x=0.
(3)
Der Druckgeber ist also in seiner Arbeitsweise. unabhängig von der Wirkung
des inneren Überdruckes auf die wirksame Fläche der Einlaßdüse und auf die wirksame
Fläche der Auslaßdüse und damit ohne Umsteuerfehler, wenn aus Gleichung (2) folgende.
Bedingung eingehalten wird: F3-12-F2-12-F1-11=0. (4) Wenn der Überdruck p,, der
zugeführten Druckluft angenähert konstant bleibt, so ist es zulässig, die Auflagekraft
K der Schließplatte 2 auf die Einlaßdüse 1 so gering zu wählen, daß das Glied K
- 11 in Gleichung (3) gegenüber den anderen Gliedern vernachlässigt werden kann.
Damit kommt der Zugfeder 4 allein die Aufgabe zu, der Wirkung des Überdruckes pf,
der Zuluft auf die Fläche F, das Gleichgewicht zu halten, und zwar so, als ob die
Schließplatte im übrigen nur dem Druck in der Umgebung des Gerätes ausgesetzt wird.
Die
Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Der Erfindungsgedanke läßt sich außer bei pneumatischen Druckgebern
auch zur Vermeidung des Umsteuerfehlers an pneumatischen Relais oder anderen selbsttätigen
Steuereinrichtungen anwenden, die mit pneumatischem oder hydraulischem Druckmittel
als Hilfskraft betrieben werden. Anstatt der zur Einwirkeng des in der Umgebung
herrschenden Druckes auf eine Fläche der Schließplatte vorgesehenen Balgfeder kann
man selbstverständlich auch andere elastische Verbindungen anwenden, welche einen
druckdichten Abschluß an der Schließplatte und am Gehäuse des Gerätes zulassen.