DE2265720C2 - - Google Patents
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- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
- F15B11/02—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member
- F15B11/04—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed
- F15B11/042—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed by means in the feed line, i.e. "meter in"
- F15B11/0426—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed by means in the feed line, i.e. "meter in" by controlling the number of pumps or parallel valves switched on
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- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gasströmungs-Steuerein
richtung zur digitalen Ansteuerung des Ventilkörpers
eines Analogventils; mit einer auf einem ersten Druck
befindlichen Gasquelle und einer mit dieser verbundenen
Aufstromkammer; mit einer Abstromkammer, die einen ver
gleichsweise geringeren Druck aufweist, eine auf Druck
ansprechende Betätigungseinrichtung für den Ventil
körper des Analogventils und einen Abluftauslaß besitzt;
wobei die Abstromkammer mit der Aufstromkammer über
mehrere Digitalventile verbunden ist, und mit einer Steuer
einrichtung für die Digitalventile.
Eine solche Gasströmungs-Steuereinrichtung ist bereits
aus der US-PS 30 72 146 bekannt. Die digitale Ansteuerung
des Ventilkörpers eines Analogventils hat den Vorteil,
daß von einem zentral stehenden Digitalrechner über längere
Übertragungsleitungen Analogventile genau gesteuert werden
können, ohne daß die Steuerung über die längeren Über
tragungsleitungen gestört werden könnte, was bei der Über
tragung von Analogsignalen der Fall wäre. Die bisher be
kannten Steuereinrichtungen zur digitalen Ansteuerung von
Analogventilen hatten jedoch eine unzureichende Linearität
zwischen den digitalen Ansteuersignalen und dem Steuer
druck im Analogventil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas
strömungs-Steuereinrichtung zur digitalen Ansteuerung
des Ventilkörpers eines Analogventils zu schaffen,
mit der eine höchstmögliche Linearität zwischen den
digitalen Ansteuersignalen und dem Steuerdruck in der
Abstromkammer geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Aufstromkammer, die Abstromkammer und die Digital
ventile in einem gemeinsamen Ventilkörper angeordnet
sind, daß die Werte der Querschnittsflächen der Durch
trittsöffnungen der Digitalventile mindestens teilweise
zueinander eine geometrische Reihe der Zahl 2 bilden
und daß Druckregeleinrichtungen vorgesehen sind, die
den Druck am Eintritt der offenen Durchtrittsöffnungen
aller Digitalventile stets unabhängig von der Gesamt
größe der jeweils offenen Querschnittsflächen so groß
halten, daß das Verhältnis zwischen dem Druck in der
Abstromkammer und diesem geregelten Druck in der Auf
stromkammer kleiner ist als das kritische Druckverhältnis
des verwendeten Gases.
Nachfolgend werden spezielle Ausführungsformen der Er
findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm des mit den Merkma
len der Erfindung ausgestatteten Fluid-
Steuersystems;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer
Hälfte einer Ausführungsform des Steuer
moduls aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines Digital
ventils gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Eichvor
gangs für den Steuermodul gemäß Fig. 2;
Fig. 5 eine Seitenansicht mit teilweise weggebro
chenen Teilen einer anderen Ausführungs
form des Steuermoduls aus Fig. 1;
Fig. 6 einen Schnitt durch den Steuermodul aus
Fig. 5; und
Fig. 7 und 8 grafische Darstellungen des funktio
nellen Zusammenhanges zwischen Massenfluß
rate, wirksamer Auslaßfläche und Druck in
dem Steuermodul gemäß Fig. 5 und 6.
Nach Fig. 1 steuert ein digitaler Rechner 10 ein Steuer
organ 11 eines Analog-Ventils, das zur Regulierung der
Strömung in einem Fluid-System angeordnet ist. Die dünnen
mit einem Strich dargestellten Pfeile bedeuten elektri
sche Verbindungen, die dicken, mit zwei ausgezogenen Stri
chen dargestellten Pfeile repräsentieren Strömungsmittel-
Verbindungen, beispielsweise hydraulische oder pneumati
sche Verbindungen, und der dicke, mit unterbrochenen paral
lelen Strichen dargestellte Pfeil bedeutet eine mechani
sche Verbindung. Der Ausgang des digitalen Rechners 10
führt mehrere Binärsignale, die einen digitalen Befehl
für die Stellung des Steuerorgans 11 darstellen, wobei der
digitale Befehl in einem bewichteten Binärcode ver
schlüsselt sein kann. Die Art des benutzten Binärco
des ist für das Verständnis der Erfindung nicht wesent
lich. Der Code kann beispielsweise eine reine geometri
sche Reihe auf der Grundlage der Zahl 2 oder auch eine
modifizierte geometrische Reihe von 2 wie in der US-
Anmeldung 64 142 beschrieben sein; es können jedoch auch
sämtliche Signale gleich bewichtet sein. Für die Be
schreibung werde angenommen, daß der benutzte Binärco
de 7 Binärsignale umfaßt, die entsprechend den sieben
reinen Zweierpotenzen 1, 2, 4, 8, 16, 32 und 64 bewich
tet sind. Ein derartiger Code, der vorzugsweise bei
nicht zu hohem Druck und nicht zu großem Durchsatz ver
wendet wird, erlaubt eine Genauigkeit von 0,1 pounds
per square inch gauge (psig; etwa = 70,3 mm WS) in einem
Druckbereich von 12 psig (etwa 0,84 kg/cm). Die von dem
digitalen Rechner 10 erzeugten binären Ausgangssignale
werden auf einen Steuermodul 12 gegeben, in welchem sie
beziehentlich eine gleiche Anzahl von Zweistellungs-
Digitalventilen (in Fig. 1 nicht dargestellt) betätigen.
Eine Druckluftquelle 13 versorgt über einen Druckregler
14 eine Aufstromkammer in dem Steuermodul 12. Der Druck
regler 14 mit einem einstellbaren Druckregelmechanismus
führt Luft aus der Druckluftquelle 13 der Aufstromkammer
zu, so daß der Druck in der Aufstromkammer konstant
bleibt. Die Austromkammer wird also auf einem einge
stellten Druck gehalten. Die Digitalventile koppeln die
Aufstromkammer an eine Abstromkammer. Ein Auslaß mit
fester Querschnittsfläche koppelt die Abstromkammer an
Atmosphäre, die in Fig. 1 durch den Block 15 dargestellt
ist. Der in der Abstromkammer aufgebaute Druck hängt von
den Stellungen der einzelnen Digitalventile, d. h. von
der Zahl der offenen oder geschlossenen Digitalventile
ab, die von den entsprechenden binären Ausgangssignalen
des digitalen Rechners 10 gesteuert werden. (In der
praktischen Ausführung ist zwischen dem Rechner 10
und den Betätigungsspulen der Digitalventile noch eine
Zwischeneinrichtung vorgesehen. Diese Zwischeneinrich
tung kann ein Pufferregister für die Umwandlung des
intermittierenden Rechnerausgangs in einen kontinuier
lichen Ausgang sowie Verstärker aufweisen, die zum Be
trieb der Spulen ausreichende Leistung abgeben.) In
der Abstromkammer herrscht mithin ein nicht geregelter
Druck. Wenn ein binäres Ausgangssignal des digitalen
Rechners 10 einen bestimmten Wert darstellt, wird das
entsprechende Digitalventil geschlossen, und wenn die
ses Signal den anderen Wert darstellt, wird das entspre
chende Digitalventil geöffnet. Die effektiven Auslaß
querschnitte der Digitalventile in ihrer Offenstellung
stehen zueinander in dem gleichen Verhältnis wie die
Bewichtung der entsprechenden binären Ausgangssignale
des digitalen Rechners 10. Dementsprechend ist die Sum
me der effektiven Auslaßquerschnitte der offenen Digital
ventile in dem Steuermodul 12 proportional zu der Zahl,
die von den binären Ausgangssignalen des digitalen Rech
ners repräsentiert wird. Der Druck in der Abstromkammer
ist in einem bestimmten Bereich eine lineare Funktion
der Summe der effektiven Auslaßquerschnitte der offenen
Digitalventile. Der Linearitätsbereich ist somit ein we
sentlicher Faktor für den Betrieb des Steuermoduls 12.
Vorzugsweise wird der Druck in der Aufstromkammer so
hoch gehalten, daß der Strömungsmitteldurchsatz durch
die offenen Digitalventile im ganzen in der Abstrom
kammer herrschenden Druckbereich mit Schallgeschwindig
keit stattfindet. Wenn Luft als Strömungsmittel verwen
det wird, muß das Verhältnis des absoluten Druckes in der
Aufstromkammer zu dem absoluten Druck in der Abstromkammer
größer als 2 : 1 gehalten werden, um einen Durchsatz mit
Schallgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Bei Schallge
schwindigkeit ist die Durchsatzrate durch jedes offene
Digitalventil unabhängig von dem Druckabfall über dem
Ventil, da der Aufstromdruck konstant ist. Somit führt
der Steuermodul 12 seine Funktion insofern besser aus,
als die Linearität der Proportionalität zwischen dem
Druck in der Abstromkammer und der durch die binären Aus
gangssignale des Rechners 10 dargestellten Zahl verbes
sert wird.
Die Abstromkammer des Steuermoduls 12 ist mit einem auf
Druck ansprechenden Umformer 17 verbunden, der bei
spielsweise ein beweglicher Kolben oder eine Membran
sein kann, die mechanisch mit dem Steuerorgan 11 des
Analogventils verbunden ist. Wie mit dem Block 18 in
Fig. 1 dargestellt ist, beeinflußt die Stellung des Steuerorgans
11 die dynamischen Bedingungen des Fluid-Systems.
Die dynamischen Zustände des Fluid-Systems werden von
einem Fühler 19 erfaßt, der ein oder mehrere Rückkopp
lungssignale erzeugt, die die dynamischen Bedingungen re
präsentieren. Das elektrische Rückkopplungssignal wird
von dem Fühler 19 auf einen Analog/Digital-Umsetzer 20
gekoppelt, in welchem es in eine digitale Binärdarstel
lung mit vorzugsweise sieben Binärstellen für den digita
len Rechner 10 umgewandelt wird. Der digitale Rechner 10
regelt das Befehlssignal kontinuierlich auf der Basis
der von dem Fühler 19 festgestellten Veränderung der dy
namischen Bedingungen nach. Die Erfindung ist zwar gemäß
Fig. 1 im Zusammenhang mit einem geschlossenen Rückkopp
lungssteuersystem beschrieben, doch kann sie auch in einem
offenen System oder in einem solchen System Verwendung
finden, das Solldrücke einer Rückkopplungs-Hydrosteuerung
zuführt.
In Fig. 2 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
die aufgeschnittene Hälfte des Steuermoduls 12 im einzel
nen dargestellt; die andere Hälfte des Steuermoduls 12
ist ein Spiegelbild der dargestellten Hälfte. Ein schei
benförmiger Kern 30 ist in einer zylindrischen Vertiefung
31 eines Gehäuses 32 angeordnet. Der Gehäusedeckel 33
ist über nicht dargestellte Bolzen mit dem Gehäuse 32
befestigt. An der Peripherie des Kernes 30 ist ein Ring
schlitz ausgebildet, der mit der benachbarten Oberfläche
der Vertiefung 31 eine Aufstromkammer 34 bildet. In ähn
licher Weise ist an der Peripherie des Kerns 30 am an
deren Ende ein weiterer Ringschlitz ausgebildet, der mit
der benachbarten Oberfläche der Vertiefung 31 eine Abstrom
kammer 35 bildet. Am Rand des Kernes 30 sind sieben bista
bile Digitalventile 36, 37, 38 und 39 angeordnet. Die Digi
talventile sind auf einem Kreis in der Reihenfolge zuneh
mender Auslaßquerschnitte verteilt. Um die Aufstromkammer
34 auf geregeltem Druck zu halten, wird ihr durch eine in
Fig. 2 nicht dargestellte Vorrichtung Luft zugeführt.
In dem Kern 30 sind zwischen den Kammern 34 und 35 eine
oder mehrere Entlüftungsöffnungen wie etwa die Öffnung 64
vorgesehen, die feste Querschnittsfläche haben. Der Quer
schnitt der Öffnung 64 ist so gewählt, daß in der Abstrom
kammer 35 ein gewünschter Minimaldruck herrscht, wenn sämt
liche Digitalventile geschlossen sind. Eine oder mehrere
Abluftöffnungen, wie etwa die Öffnung 65, von festem Quer
schnitt, sind in dem Gehäuse 32 zwischen der Kammer 35 und
der außerhalb des Gehäuses 32 herrschenden Umgebungsatmo
sphäre ausgebildet. In dieser Beschreibung bedeutet Öff
nung einen Auslaß, dessen Länge kurz ist relativ zu seinem
Durchmesser. Der Querschnitt der Öffnung 65 ist so ausge
legt, daß ein gewünschter maximaler Luftdurchlaß durch den
Steuermodul nicht überschritten wird, wenn alle Digital
ventile offen sind. Die Kammern 34 und 35 sind gegeneinan
der und gegen das Gehäuseinnere über dem Kern 30 durch
O-Ringe 66 und 67 abgedichtet, die in entsprechenden Nuten
am Umfang des Kernes 30 gehalten werden, wobei ein O-Ring
68 in einer an der Unterseite des Kernes 30 befindlichen
Nut sitzt und O-Ringe die einzelnen Digitalventile umgeben,
beispielsweise wie der O-Ring 69.
Das in Fig. 3 auseinandergenommen dargestellte Digitalven
til 36 wird als Beispiel für die anderen sechs Digitalven
tile beschrieben. Ein Verschlußkörper 45 und ein Auslaß 46
bestimmen den Strömungsmitteldurchsatz durch das Digital
ventil 36, d. h. seine Auslaßfläche in der Offenstellung.
Der Auslaß 46 wird von einer Präzisionsbohrung in einem
Sitz 47 gebildet, der im Preßsitz in eine Bohrung von ge
normter Größe zwischen den Kammern 34 und 35 eingefügt ist.
Eine Bohrung 48 von größerer Normgröße erstreckt sich zwi
schen der Aufstromkammer 34 und dem Äußeren des Kernes 30
in Ausrichtung auf den Auslaß 46. Ein Verschlußkörperge
häuse 49 steht in Schraubverbindung mit der Bohrung 48.
Das Verschlußkörpergehäuse 49 ist mit einem Schlitz 51 (Fig.
2) für einen Schraubendreher versehen, damit das Verschluß
körpergehäuse eingeschraubt werden kann. Das Verschlußkörper
gehäuse 49 dient als Kern für eine Spule 52. Eine Führungs
kammer 53 in dem Verschlußkörpergehäuse 49 ist an einem Ende
verschlossen und an dem anderen der Aufstromkammer zuweisen
den Ende offen. Der Verschlußkörper 45 bewegt sich in der
Kammer 53 zwischen zwei Endstellungen, die durch den Abstand
zwischen dem abgeschlossenen Ende der Kammer 53 und dem Aus
laß 46 definiert sind. Eine Druckfeder 54, die in einer Ver
tiefung am Verschlußkörperende sitzt und gegen das geschlos
sene Ende der Kammer 53 weist, arbeitet gegen das geschlos
sene Ende der Kammer 53. Wenn danach die Spule 52 nicht ak
tiviert ist, liegt der Verschlußkörper 45 unter dem Einfluß
der Feder 54 gegen den Auslaß 46 an und bringt damit das
Digitalventil 36 in seine Geschlossenstellung. In der Ge
schlossenstellung verschließt der Verschlußkörper 45 den
Auslaß 46, so daß durch diesen kein Strömungsmittel von
der Aufstromkammer 34 zur Abstromkammer 35 fließen kann.
Wenn die Spule 52 aktiviert wird, zieht sie den Verschluß
körper 45, der mindestens teilweise aus magnetisierbarem
Material besteht, in die Kammer 53, bis er gegen das ab
geschlossene Ende der Kammer anliegt. Eine Abschirmung 55
paßt satt um das Verschlußkörpergehäuse 49 und ein Siche
rungsring 56 sichert das Verschlußkörpergehäuse 49 gegen
Drehung relativ zum Kern. Ein Klemmenträger 60 und der
Kern 30 sind an dem Gehäuse 32 durch eine Schraube 61 be
festigt. Leitungen (Fig. 3) zur Aktivierung der Spule 52
sowie der den anderen Digitalventilen zugeordneten Spulen
sind an die zugehörigen Klemmen 62 auf dem Klemmenträger 60
geführt. Ein nicht dargestelltes Kabel überträgt die binären
Ausgangssignale aus dem digitalen Rechner 10 und ist durch
einen Kabeleinlaß 63 in dem Gehäuse 32 geführt, wobei die
Leiungen des Kabels mit den jeweils zugehörigen Klemmen
62 verbunden sind. Der Sitz 47 ist vorzugsweise aus einem
sehr harten Material gefertigt, so daß sich der Querschnitt
des Auslasses 46 nicht durch Materialabnutzung verändert.
Der Verschlußkörper 45 weist eine am Ende abgeschrägte Na
del 70 sowie einen mit einer Nut 72 (Fig. 3) versehenen
Schaft 71 auf, so daß Strömungsmittel an dem Verschlußkör
per zur Sicherstellung des Druckausgleichs vorbeistreichen
kann. Lediglich der Schaft 71 muß aus magnetischem Material
bestehen; die Nadel 70 kann aus abnutzungsarmem, nicht-mag
netischem Material bestehen. Das Verschlußkörpergehäuse 49
besteht aus drei zu einer Einheit zusammengelöteten Teilen,
nämlich einer Kappe 73 aus magnetischem Material, einem
Bodenteil 74 aus magnetischem Material sowie einem Kör
per 75 (Fig. 2) aus nicht-magnetischem Material. Die Wick
lungen der Spule 52 sind auf dem Körper 75 zwischen den
Flanschen 76 und 77 an der Kappe 73 bzw. dem Bodenteil 74
angeordnet. Ein O-Ring 69 sitzt in einer Nut in dem Boden
teil 74 zwischen den Schraubgängen 78, die zur Bildung
der Schraubverbindung 50 in die Gewindegänge in der Boh
rung 48 eingreifen, und dem offenen Ende der Führungskam
mer 53. Die übrigen Digitalventile gleichen dem Ventil
36 mit Ausnahme der Form des Auslasses 46 und der Nadel
70 des Verschlußkörpers.
Die Einzelteile des Digitalventils sind so dimensioniert,
daß das abgeschrägte Ende der Nadel 70 im Inneren des
Auslasses 46 verbleibt, wenn der Verschlußkörper 45 ge
gen das verschlossene Ende der Führungskammer 53 in der
einen Endstellung anliegt, d. h. in der Offenstellung des
Ventils. Die Digitalventile bieten damit dem Fluß des
Strömungsmittels ringförmige Auslässe dar. Die Quer
schnitte dieser Ringauslässe sind einzeln einstellbar,
indem der Abstand des geschlossenen Endes der Führungs
kammer 53 zu dem Sitz 47 und damit der Innendurchmesser
des Ringauslasses verändert wird. Dies geschieht durch
Drehen des Verschlußkörpergehäuses 49 in seiner Schraub
verbindung 50 mit der Bohrung 48, so daß der Abstand
zwischen dem geschlossenen Ende der Führungskammer 53 und
dem Auslaß 46 und somit die Länge des Führungskörperhubes
verändert wird. Vorteilhafterweise wird das Verschlußkör
pergehäuse zunächst in die Bohrung eingeschraubt und der
Sicherungsring 56 lose auf den Kern 30 mit seinen Befesti
gungsmitteln aufgesetzt; dann wird das Verschlußkörperge
häuse etwa durch Drehen eines in den Schlitz 51 eingesetz
ten Schraubendrehers soweit gedreht, bis der Auslaßquer
schnitt genau auf den gewünschten Wert eingestellt ist.
Schließlich werden die Befestigungsmittel auf dem Siche
rungsring angezogen, so daß der Sicherungsring gegen den
Bodenteilflansch 77 des Verschlußkörpergehäuses drückt und
die Gänge der Schraubverbindung mit der Bohrung belastet,
wodurch das Verschlußkörpergehäuse in der eingestellten
Lage festgesetzt wird.
Wie das in Fig. 2 dargestellt ist, weisen der Bodenteil
flansch und der Sicherungsring zur Oberfläche des Kernes
30 Abstand auf, wenn das Verschlußkörpergehäuse festge
setzt wird.
Zusammengefaßt dargestellt: Die wirksame Auslaßfläche je
des Digitalventils wird wie beschrieben genau auf den ge
wünschten Wert eingestellt. Da tatsächlich in jedem Digi
talventil eine Anzahl verschiedener Auslässe gebildet wird,
dient in dieser Beschreibung der Ausdruck "wirksame Auslaß
fläche" zur Bezeichnung der resultierenden Auslaßfläche
jedes Ventils, die als einfache Öffnung mit gleichförmiger
Querschnittsfläche betrachtet werden kann, die die Aufstrom
kammer an die Abstromkammer koppelt.
Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des
Steuermoduls 12. Fig. 6 kann zur Erleichterung des Ver
ständnisses um 90° gedreht werden. Der Steuermodul weist
einen Gehäuseblock 80 mit einer Aufstromkammer 81, einer
Abstromkammer 82 und einem Kabelraum 83 auf. An dem Ge
häuseblock 80 sind mehrere Teilblöcke 84 durch Befesti
gungsmittel, etwa in Form von Schrauben 85, befestigt,
wobei jeder Teilblock 84 ein Digitalventil beherbergt.
Jeder Teilblock 84 enthält einen spulenbetätigten Ver
schlußkörper 95, der gemäß der Darstellung in Fig. 6 bei
einer Bewegung nach rechts das Ende eines Kanales 96 ab
schließt und bei einer Bewegung nach links den Kanal 96
für den Durchsatz von Strömungsmittel von der Aufstrom
kammer 81 zur Abstromkammer 82 freigibt. Eine Stellschrau
be 97 kann zur Steuerung des wirksamen Auslaßquerschnittes
des Kanales zwischen der Aufstromkammer 81 und dem Kanal
96 eingestellt werden, so daß sich dementsprechend die
wirksame Auslaßfläche des Digitalventils einstellen läßt.
Die Stellschrauben 97 sind vom äußeren des Steuermoduls
zugänglich (Fig. 5).
Eine erste Modifizierung gegenüber der oben beschriebenen
Ausführungsform ist darin zu sehen, daß sich die Abstrom
kammer 82 durch den Gehäuseblock 80 von einer Seite zur
anderen erstreckt. An einer Seite ist die Abstromkammer
82 durch einen eingeschraubten Stopfen 87 geschlossen.
Ein Ende eines Rohres 88 paßt in den Stopfen 87, so daß
sich das andere Ende des Rohres 88 in die Abstromkammer
82 erstreckt. Für diese Beschreibung werde unter einem
Rohr ein Auslaß verstanden, dessen Länge groß ist relativ
zu seiner lichten Weite, anders als bei der obenerwähnten
Öffnung. Eine Leitung 89 erstreckt sich durch den Stopfen
87 und den Gehäuseblock 80 zwischen der Abstromkammer 82
und dem Kabelraum 83. Das Rohr 88 und die Leitung 89 bil
den den Abluftauslaß zwischen der Abstromkammer und der
Atmosphäre. Die Abmessungen des Rohres 88 sind so gewählt,
daß sie im wesentlichen die Durchsatzrate durch den Abluft
auslaß bestimmt unter Ausschluß der Abmessungen der Leitung
89. Ein O-Ring 90 in einer Nut im Stopfen 87 verhindert die
Leckage von Luft aus der Abstromkammer 82 in die Leitung
89. Die die Abstromkammer 82 durch das Rohr 88 und die
Leitung 89 verlassende Luft gelangt von dem Kabelraum 83
in die Atmosphäre. Auf diese Weise reinigt die Luft den
Kabelraum 83 von entflammbaren Gasen, die in der Nähe des
Steuermoduls vorhanden sein könnten.
Eine weitere Ausbildung ist darin zu sehen, daß die die
Digitalventile enthaltenden Teilblöcke durch einen Teil
block 91 ersetzt wurden, der den Abluftauslaß zwischen
der Aufstromkammer 81 und der Abstromkammer 82 beherbergt.
Die wirksame Auslaßfläche des Abluftauslasses wird durch
Drehen einer von außen zugänglichen Stellschraube 92 justiert.
Die Stellschraube 92 weist an einem Ende einen abgeschrägten
Paßkörper 93 auf, der sich in einen zylindrischen Kanal 94
erstreckt, so daß sich ein einstellbarer Ringraum ergibt.
Die wirksame Auslaßfläche des Abluftauslasses wird durch
den Abstand bestimmt, mit dem sich der Paßkörper 93 in
den Kanal 94 erstreckt. Aus Fig. 6 ist zu erkennen, daß
abgesehen von dem Fehlen einer Verschlußkörperanordnung
mit zugehöriger Magnetspule der Teilblock 91 mit den Teil
blöcken 84 identisch ist.
Eine sehr gute Linearität über den gesamten in der Abstrom
kammer erzeugten Druckbereich wird dadurch erreicht, daß
das Verhältnis zwischen dem Druckabfall über den Digital
ventilen zu dem Druckabfall über dem Entlüftungsauslaß
gesteuert wird. Vorteilhafterweise wird das Verhältnis
des absoluten Druckes in der Aufstromkammer zu dem absolu
ten Druck in der Abstromkammer größer als das kritische
Druckverhältnis, d. h. etwa 2 : 1 für Luft, gehalten. Weiter
hin wird vorteilhafterweise das Verhältnis des absoluten
Druckes in der Abstromkammer zum Atmosphärendruck größer
als 2 : 1, dem kritischen Druckverhältnis, über den gesam
ten Druckbereich in der Abstromkammer gehalten. In diesem
Fall isoliert der Luftdurchsatz von Schallgeschwindigkeit
durch die geöffneten Digitalventile die Aufstromkammer von
der Abstromkammer. Mit anderen Worten, Schwankungen in dem
Druck der Abstromkammer beeinflussen nicht den Massendurch
satz durch die geöffneten Digitalventile. Die Luftströmung
durch die geöffneten Digitalventile bei Schallgeschwindig
keit baut das kritische Druckverhältnis zwischen der Auf
stromkammer und den Digitalventilen auf. Da der Druck in der
Aufstromkammer konstant ist, ist die Massendurchsatzrate
durch die geöffneten Digitalventile proportional, d. h.
eine lineare Funktion der Summe der wirksamen Auslaßöff
nungen der geöffneten Digitalventile, unabhängig von dem
Druck in der Abstromkammer. In diesem Fall ist der Ent
lüftungsauslaß eine Öffnung zur Umgebung. Als Folge der Luftströmung
von Schallgeschwindigkeit durch den Entlüftungsauslaß
ist der Druck in der Abstromkammer direkt proportional
zu, d. h. eine lineare Funktion der Massenflußrate der durch
den Entlüftungsauslaß entweichenden Luft. Die Kontinuität
fordert, daß die Massenflußrate durch den Entlüftungsaus
laß der Massenflußrate durch die Digitalventile in der
Offenstellung gleicht. Daher ist der Druck in der Abstrom
kammer direkt proportional zu, d. h. eine lineare Funktion
der Summe der wirksamen Auslaßflächen der Digitalventile
in der Offenstellung. Beispielsweise kann der Druckbereich
in der Abstromkammer von 15 bis 30 psig (etwa 1,05 bis 2,1
kg/cm2) betragen und der geregelte Druck in der Aufstrom
kammer kann 75 psig (etwa 5,25 kg/cm2) betragen.
Jedoch ist ein Normdruckbereich für Ventilsteuerorgane
und pneumatische Steuerungen in Verarbeitungsanlagen 3 bis
15 psig (etwa 0,21 bis 1,05 kg/cm2). Somit liegt ein typi
scher Druckbereich in der Abstromkammer bei 3 bis 15 psig.
Für diesen Fall würde die Entlüftungsauslaßöffnung an unter
atmosphärischen Druck statt an die Atmosphäre gekoppelt werden
müssen, um das Druckverhältnis von 2 : 1 über dem Entlüftungs
auslaß über dem gesamten Druckbereich in der Abstromkammer
aufrechtzuerhalten. Dies könnte dadurch erreicht werden,
daß der Entlüftungsauslaß an einen Luftspeicherraum statt
an Atmosphäre angeschlossen wird, der von einer Vakuumpum
pe teilweise evakuiert wird. Es gibt jedoch auch andere
Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer Luftströmung von
Schallgeschwindigkeit von der Abstromkammer zur Atmosphäre
ohne ein Druckverhältnis von mindestens 2 : 1 aufrechtzuer
halten.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist das Einhalten einer
sehr weitreichenden Linearität, ohne daß der Luftstrom durch
den Entlüftungsauslaß bei Schallgeschwindigkeit über den
gesamten Druckbereich in der Abstromkammer gehalten werden muß. Hier
zu ist im einzelnen der Abluftauslaß in Form eines Rohres
88 in Fig. 5 anstelle einer Öffnung vorgesehen. Nimmt man
an, daß der Druckbereich in der Abstromkammer 3 bis 15 psig
beträgt, sind geeignete Abmessungen für das Rohr 88 eine
Länge von 4 Zoll (etwa 10 cm) und einen Innendurchmesser
(lichte Weite) von 0,030 Zoll (etwa 0,762 mm); ein geeig
neter Wert für den geregelten Druck in der Aufstromkammer
beträgt 29 psig (etwa 2 kg/cm2). Für eine Luftströmung
durch das Rohr 88 bei Unterschallgeschwindigkeit ist die
Massenflußrate durch das Rohr eine nicht-lineare Quadrat
wurzelfunktion des Druckes P x in der Abstromkammer (Fig. 8).
Um diese Quadratwurzelbeziehung auszugleichen, wird der ge
regelte Druck in der Aufstromkammer mit Absicht so gewählt,
daß die Luft durch die Digitalventile ebenfalls mit Unter
schallgeschwindigkeit für mindestens einen Teil des Druck
bereiches in der Abstromkammer fließt. In einem derartigen
Fall ist die Summe A der wirksamen Auslaßfläche der Digital
ventile in der Offenstellung eine nicht-lineare, etwa quadra
tische Funktion der Massenflußrate durch die Digitalventile
in der Offenstellung (Fig. 7). Bei kleineren Massenflußraten,
bei denen die Quadratwurzelbeziehung zwischen und P x etwa
linear ist, wird der geregelte Druck in der Aufstromkammer
so eingestellt, daß die Luftströmung durch die Digitalven
tile in der Offenstellung im wesentlichen bei Schallgeschwin
digkeit stattfindet. Wenn die Massendurchsatzrate zunimmt
und die Beziehung zwischen und P x stärker nicht linear
wird (dick ausgezogene Kurve in Fig. 8 von s an), nimmt
die Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch die Digitalven
tile in der Offenstellung ab. Wenn die Luftströmungsgeschwin
digkeit durch die Digitalventile in der Offenstellung absinkt,
wird die Beziehung zwischen und A nicht linear (Fig. 7,
dick ausgezogene Kurve von s an). Bei einem gegebenen Druck
bereich in der Abstromkammer sind die Länge und die lichte
Weite des Rohres 88 sowie der gesteuerte Druck in der Auf
stromkammer so gewählt, daß die quadratische Beziehung zwi
schen und A so gut wie möglich die Quadratwurzelbeziehung
zwischen und P x kompensiert. Das Ergebnis ist eine außer
ordentlich gute und weitreichende Linearität zwischen
P x und A.
Wenn die Anforderungen an die Linearität nicht so hoch
sind, kann die Luftströmung durch die Digitalventile bei
Schallgeschwindigkeit aufrechterhalten werden ohne Rück
sicht auf den Einfluß der Massendurchsatzrate durch die
Entlüftungsöffnung oder das Rohr auf den Druck in der
Abstromkammer. Der geregelte Druck in der Aufstromkammer
wird einfach so gewählt, daß er mindestens zweimal so groß
wie der höchste Druck in der Abstromkammer ist. Dies ergibt
eine befriedigende Linearität für viele Anwendungsfälle.
Fig. 4 stellt den Eichvorgang für den Aufbau des gewünsch
ten Druckes in der Abstromkammer für jede Stellungskombi
nation der sieben Digitalventile dar. Die Abstromkammer
ist an ein sehr genaues Manometer angeschlossen. Für die
Beschreibung werde angenommen, daß in der Abstromkammer
ein Druckbereich von 3 bis 15 psig aufgebaut werden soll,
da dies ein Normbereich von Eingangsdrücken für Steueror
gane von Analogventilen ist. Es werde weiterhin angenommen,
daß der Regler 14 so eingestellt ist, daß sich ein Druck
von 50 psig in der Aufstromkammer einstellt, daß der Ent
lüftungsauslaß so ausgelegt ist, daß ein Druck von 3 psig
in der Abstromkammer erzeugt wird, wenn sämtliche Digital
ventile in der Geschlossenstellung stehen und daß der Ab
luftauslaß einen maximalen Luftdurchsatz von 0,3 Kubikfuß/
Min. (etwa 85 l/min) bei Normaltemperatur und Normaldruck
freigibt, wenn sämtliche Digitalventile in der Offenstel
lung stehen. Das Eichverfahren für die Ausführungsformen
der Erfindung gemäß Fig. 2 und 3 unterscheidet sich etwas
von dem Eichverfahren für die Ausführungsformen gemäß
Fig. 5 und 6.
Bei den Ausführungsformen, die in Fig. 5 und 6 dargestellt
sind, besteht die erste Stufe des Eichvorganges darin,
das Manometer bei fehlendem Druck in der Abstromkammer
zu nullen. Die zweite Stufe sieht dann vor, daß die Stell
schraube 92 zur Justierung der wirksamen Auslaßfläche des
Abluftauslasses in dem Teilblock 91 eingestellt wird, so
daß der Druck in der Abstromkammer bei sämtlichen digita
len Ventilen in ihrer Geschlossenstellung genau 3 psig
beträgt. Bei den nachfolgenden Stufen wird jedes Digital
ventil einzeln nacheinander geöffnet, jede wirksame Aus
laßfläche justiert, indem die Schraube 86 solange gedreht
wird, bis das Manometer den gewünschten, das betreffende
Ventil repräsentierenden Druck in der Abstromkammer an
zeigt, wonach dann das betreffende Ventil geschlossen
wird. Es hat sich ergeben, daß die größte Linearität für
alle Einstellungskombinationen der digitalen Ventile er
reicht werden kann, wenn die wirksamen Auslaßflächen der
verschiedenen Digitalventile so justiert sind, daß der
Druck in der Abstromkammer gegen seinen Sollwert um einen
empirisch bestimmten Betrag geringfügig abgeändert wird.
Wenn beispielsweise das mit 4 bewichtete Digitalventil
geöffnet ist, kann empirisch bestimmt werden, daß sich
ein größeres Ausmaß an Gesamt-Linearität ergibt, wenn die
ses Digitalventil so justiert ist, daß ein Druck in der
Abstromkammer von 3,378 psig statt 3,375 psig (Sollwert)
erzeugt wird.
Für die Ausführungsform, die in den Fig. 2 und 3 dar
gestellt ist, besteht die erste Stufe des Eichvorganges
in dem Nullen des Manometers bei Abwesenheit von Druck
in der Abstromkammer. In der zweiten Stufe wird der Druck
regler so eingestellt, daß der Druck in der Abstromkammer
genau 3 psig beträgt, wenn alle Digitalventile in der Ge
schlossenstellung stehen. Dadurch werden Abmessungeschwan
kungen in dem Abluftauslaß, in dem Entlüftungsauslaß und
in der Aufstromkammer und Abstromkammer von dem geregel
ten Druck in der Aufstromkammer kompensiert. Mit anderen
Worten, der geregelte Druck in der Aufstromkammer wird
auf einen Wert eingestellt, der geringfügig von seinem
Sollwert von 75 psig abweicht, um die Toleranzschwankun
gen der Bauteile des Steuermoduls zu kompensieren, der
jedoch noch hoch genug ist, um ein Verhältnis von min
destens 2 : 1 der absoluten Drücke zwischen den Kammern
über den gesamten Druckbereich in der Abstromkammer auf
rechtzuerhalten. Die dritte Stufe des Eichvorganges sieht
vor, daß das Digitalventil mit der kleinsten wirksamen
Auslaßfläche in die Offenstellung gebracht und sein Hub
solange eingestellt wird, bis das Manometer den gewünsch
ten Druck in der Abstromkammer für diese Stellungskombi
nation der Digitalventile anzeigt. Bei der vierten Stufe
wird das Digitalventil mit der zweitkleinsten wirksamen
Auslaßfläche in die Offenstellung gebracht und sein Hub
wird solange eingestellt, bis das Manometer einen Abstrom
kammerdruck anzeigt, der für diese Stellungskombination
der Digitalventile gewünscht wird. Dieses Verfahren wird
fortgesetzt, wobei jedes Digitalventil in der Reihenfolge
zunehmender wirksamer Auslaßflächen geöffnet wird, bis alle
Digitalventile in der Offenstellung stehen. Nach Öffnen je
des Digitalventiles in der Reihe und vor dem Öffnen des
nächsten Digitalventiles in der Reihe wird der Hub des
gerade geöffneten Digitalventiles so lange eingestellt,
bis das Manometer den gewünschten Druck in der Abstrom
kammer für diese Stellungskombination der Digitalventile
anzeigt. Die Justierung der Hube der einzelnen Ventile kom
pensiert die Toleranzschwankungen der Bauteile dieser Ven
tile, so daß die wirksamen Auslaßflächen entsprechend dem
Binärcode der auf den Steuermodul gekoppelten Binärsignale
genau bewichtet sind.
Zusammengefaßt wird in dem vorstehend bezüglich der in den
Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform beschriebe
nen Eichvorgang der Regler so eingestellt, daß Veränderun
gen in den Abmessungen des Abluftauslasses, des Entlüftungs
auslasses und der Druckkammern kompensiert werden, während
die Digitalventilhübe so eingestellt werden, daß Toleranz
schwankungen ihrer Bauteile kompensiert werden. Wenn es er
wünscht ist, in der Abstromkammer einen Druck von Null bei
sämtlichen Digitalventilen in der Geschlossenstellung auf
zubauen, kann der Abluftauslaß weggelassen werden. In die
sem Fall wird das Digitalventil mit der kleinsten Auslaß
fläche die Rolle des Abluftauslasses beim Eichvorgang über
nehmen. Mit anderen Worten, dieses Digitalventil würde ge
öffnet werden und der Regler würde so eingestellt werden,
daß der gewünschte Druck in der Abstromkammer ohne Einstel
lung dieses Digitalventiles aufgebaut wird. Die Hübe der
übrigen Digitalventile würden dann nacheinander justiert,
um solche Auslaßflächen zu haben, die relativ zu dem Digi
talventil mit der kleinsten Auslaßfläche richtig bewichtet
sind. Obgleich es Vorteile bringt, jedes Ventil nacheinan
der zu öffnen, ohne daß die vorher geöffneten Ventile ge
schlossen werden, um die Durchflußwirkung bei der Eichung
zu berücksichtigen, kann auch jedes Ventil für sich geöff
net werden, so daß jeweils nur ein Ventil geöffnet ist.
Es versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsbeispie
le der Erfindung lediglich als Erläuterung des der Erfindung
zugrundeliegenden Gedankens dienen und der Umfang der Erfin
dung durch die beschriebenen Ausführungsformen nicht be
schränkt wird. Tatsächlich können verschiedenartige und
zahlreiche andere Einrichtungen entworfen werden, ohne daß
dabei von der Erfindung abgewichen wird. So könnte es bei
spielsweise möglich sein, einen geringeren als atmosphäri
schen Druck in der Kammer 34 oder 81 aufzubauen, wodurch
sich die Strömungsrichtung des Strömungsmittels durch den
Steuermodul umkehrt (eine derartige Einrichtung ist jedoch
auf einen maximalen Druckbereich von 14,7 psig beschränkt).
Der Entlüftungsauslaß könnte an eine zusätzliche Druckkam
mer oder an einen Druckspeicher von konstantem Druck statt
an Atmosphäre angeschlossen sein. Wie bereits erwähnt, wür
de dies besonders dann zweckmäßig sein, wenn auf der Ab
stromseite des Entlüftungsauslasses ein unteratmosphäri
scher Druck erwünscht ist, um einen Durchsatz bei Schall
geschwindigkeit aufrecht erhalten zu können. Die Digital
ventile und der Entlüftungsauslaß könnten ausgetauscht wer
den, d. h. daß der Entlüftungsauslaß die beiden Kammern
koppelt und die Digitalventile eine der Kammer mit Atmo
sphäre verbinden. Die Erfindung ist weiterhin auf Digital
signale anwendbar, die beispielsweise statt im Binärsystem
im Trinärsystem codiert sind. (In diesem Fall würden die
Digitalventile so abzuändern sein, daß sie die gleiche Zahl
von Stellungen wir die Digitalsignale, nämlich 3, besitzen.)
Statt ein auf Druck ansprechendes Steuerorgan an die Ab
stromkammer anzuschließen, könnte es möglich sein, den Druck
in der Abstromkammer durch Überwachen der Durchsatzrate mit
einem Durchflußmesser, beispielsweise einem Flügelradzähler,
festzustellen. In diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit
des Flügelrads repräsentativ für den Druck in der Abstrom
kammer. Weiterhin könnten andere Systeme von Digitalventilen
anstelle des Steuermoduls 12 Verwendung finden. Schließlich
könnte das im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrie
bene System von Digitalventilen auch ohne Regler 14, Ent
lüftungsauslaß 65 und Abluftauslaß 64 Verwendung finden,
um den Durchsatz eines Prozeßfluids bei mäßigen Drücken
und Durchsatzraten zu beeinflussen.
Zusammengefaßt wurde eine Fluidquelle von konstantem Druck
beschrieben, die an eine Druckkammer angeschlossen ist, die
ihrerseits mit einer Fluidsenke von konstantem Druck verbun
den ist, wobei letzterer geringer als der Druck der Fluid
quelle ist. Eine der Kopplungen weist einen Auslaß von
fester Querschnittfläche auf. Die andere Kopplung umfaßt
mehrere einzeln einstellbare Digitalventile. Eine druck
abhängig bewegbare Vorrichtung, beispielsweise ein Steuer
organ für einen Analogventil-Verschlußkörper, ist an die
Kammer gekoppelt. Die Stellungen der Digitalventile wer
den von Digitalsignalen gesteuert, die einen Befehl re
präsentieren, so daß die Bewegung der Vorrichtung für den
Befehl repräsentativ ist. Jedes Digitalventil ist so aus
gelegt, daß seine wirksame Auslaßfläche in der Offenstel
lung nach Zusammenbau justiert werden kann. Die Anordnung
wird dadurch geeicht, daß die Digitalventile einzeln justiert
werden, um die Einflüsse von Toleranzschwankungen zu kompen
sieren. Vorzugsweise stellen die Digitalsignale den Ausgang
eines Digitalrechners dar. Zweckmäßigerweise sind die Ven
tile bistabil und es ist besonders günstig, eine Schall
strömung durch die Ventile in ihrer Offenstellung aufrecht
zuerhalten. Die einzelnen Digitalventile sind weiterhin
mit Vorteil so ausgelegt, daß ihre Auslaßquerschnitte in
der Offenstellung durch Justierung des Verschlußkörper
hubes verändert werden kann. Der Verschlußkörperhub ist
so gesteuert, daß der Verschlußkörper in der Geschlossen
stellung gegen den Auslaß anliegt und in der Offenstellung
gegen das abgeschlossene Ende einer Führungskammer für den
Verschlußkörper anliegt.
Claims (1)
- Gasströmungs-Steuereinrichtung zur digitalen An steuerung des Ventilkörpers eines Analogventils;
mit einer auf einem ersten Druck befindlichen Gas quelle und einer mit dieser verbundenen Aufstromkammer;
mit einer Abstromkammer, die einen vergleichsweise geringeren Druck aufweist, eine auf Druck ansprechende Betätigungseinrichtung für den Ventilkörper des Analog ventils und einen Abluftauslaß besitzt; wobei die Abstromkammer mit der Aufstromkammer über mehrere Digitalventile verbunden ist, und mit einer Steuer einrichtung für die Digitalventile,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstromkammer (34, 81), die Abstromkammer (35, 82) und die Digitalventile (36-39) in einem gemein samen Ventilkörper (30, 32) angeordnet sind, daß die Werte der Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen (46) der Digitalventile (36-39) mindestens teilweise zueinander eine geometrische Reihe der Zahl 2 bilden und daß Druckregeleinrichtungen (14) vorgesehen sind, die den Druck am Eintritt der offenen Durchtritts öffnungen (46) aller Digitalventile (36-39) stets unabhängig von der Gesamtgröße der jeweils offenen Querschnittsflächen so groß halten, daß das Verhält nis zwischen dem Druck in der Abstromkammer (35) und diesem geregelten Druck in der Aufstromkammer (34) kleiner ist als das kritische Druckverhältnis des ver wendeten Gases.
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