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Signalumformer
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Die Erfindung betrifft einen Signalumformer zum Umformen von elektrischen
Signalen in pneumatische Signale, bestehend aus einem Waagebalken mit einer Steuerfläche
und einer Tauchspule sowie aus einer Ruckftihrvorrichtung und einer Steuerdüse,
die beide mit einem pneumatischen Verstärker in Verbindung stehen, wobei der Steuerfläche
die Steuerdtise und der Tauchspule ein Permanentmagnet zugeordnet sind und der Waagebalken
in Nullpunktstellung auf der Rtlckftihrvorrichtung mit vorgegebenem Abstand zwischen
Steuerfläche und Steuerdüse aufliegt während die Tauchspule
um
ein vorgegebenes Maß in den Permanentmagneten eintaucht.
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Bei bekannten Signalumformer dieser Ausführungsform wird mittels des
Tauchspulen-Permanentmagnetsystems eine verhältnismäßig geringe Meßkraft von nur
0 bis 10 p erzeugt. Um diese geringe Meßkraft auf direktem Wege durch den Ausgangsdruck
des pneumatischen Verstärkers von 0,2 bis 1,0 bar zu kompensieren werden regelmäßig
als Rückführvorrichtung handelsübliche Wellrohrbälge eingesetzt. Bei gegebenen Rückführflächen
müssen verhältnismäßig kleine, nur mit Mühe präzise zu fertigende Rückführhebelarme
in Kauf genommen werden. Bei metallenen Wellrohrbälgen macht sich außerdem deren
eigene Federkonstante als schwingungserzeugendes Element im Rückführkreis bemerkbar,
welches nur durch geeignete Phasenkompensation ausgeglichen werden kann. Man kennt
allerdings auch Gummimembranen als Rückführvorrichtung, die jedoch den Nachteil
haben, daß sie gegen verschiedene chemische Mittel nicht ausreichend beständig sind.
Außerdem können an ihnen aus mechanischen und Festigkeitsgründen nur metallene Rückführflächen
bestimmter Mindestgröße verwirklicht werden. Zudem benötigen diese Rückführelemente
aufgrund der Elastizität der Gummimembranen steife Positionierungselemente. Das
alles ist kompliziert und aufwendig. - Diese Nachteile will die Erfindung vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalumformer der
eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Rückführvorrichtung sich durch extrem
einfache und funktionssichere Bauweise auszeichnet, die sich darüber hinaus selbst
bei kleinsten Abmessungen mit hoher Präzision fertigen läßt.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Signalumformer
zum
Umformen von elektrischen Signalen in pneumatische Signale dadurch, daß die Rückführvorrichtung
aus einer Rückführbuchse und einer darin mit minimalem Bewegungsspiel auf einem
Luftpolster schwebenden gegen den Waagebalken angedrückten Steuerkugel besteht.
- Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß die Einhaltung und Änderung
der wirksamen Rückführflächen durch einfache Wahl der entsprechenden Kugeldurchmesser
möglich ist. Darüber hinaus ist die Rückführung frei von schwingungserzeugenden
oder elastischen Elementen, so daß weder Phasenkompensation noch steife Positionierungselemente
erforderlich sind. Die Erfindung hat erkannt, daß aufgrund der tangentialen Führung
der Steuerkugel in der Steuerbuchse bei einem Lagerspiel von nur wenigen um und
einer geringen Rauhigkeit der Oberflächen die Reibung bei den zur Verfügung stehenden
Kräften vernachlässigt werden kann.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind im folgenden aufgeführt.
So sieht die Erfindung vor, daß die Rückführbuchse und die Steuerkugel aus korrosionsbeständigem
Material wie z. B.
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Kunststoff, Edelstahl, Quarzglas, synthetischen Edelsteinen o.
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dgl. bestehen. Dabei finden Quarzglas und synthetische Edelsteine
bei der Fertigung der Steuerkugel Verwendung. Aufgrund der geringen zur Verfügung
stehenden Meßkräfte empfiehlt die Erfindung, daß der Waagebalken aus einem dünnwandigen
Metallrohr, z. B. Aluminium oder Messingrohr besteht. Ferner besteht aus gleichem
Grunde die Steuerfläche aus einem Leichtmetallkörper mit einer hochglanzpolierten
Hartmetallauflage geringer Stärke für die anliegende Steuerkugel. Endlich kann der
Waagebalken mit einem Kontergewicht und einem verschiebbaren Kleingewicht zur Feintarierung
bestückt sein.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen
darin
zu sehen, daß ein Signalumformer zum Umformen von elektrischen Signalen in pneumatische
Signale verwirklicht wird, dessen Rückführvorrichtung sich durch extrem einfache
und funktionsgerechte Bauweise auszeichnet, nämlich aus praktisch lediglich einer
Steuerbuchse und einer darin schwebenden Steuerkugel besteht. Die Rückführbuchse
kann selbst bei kleinsten Kugeldurchmessern auf einfache Art präzise gefertigt werden.
Die Positionierung der Rückführung ist durch Selbstführung der Steuerkugel in der
Rückführbuchse gegeben. Auf Phasenkompensation und steife Positionierungselemente
kann verzichtet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen
Signalumformer in schematischer Darstellung.
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In der Figur ist ein Signalumformer zum Umformen von elektrischen
Signalen in pneumatische Signale dargestellt, der in seinem grundsätzlichen Aufbau
aus einem Waagebalken 1 mit einer Steuerfläche 2 und einer Tauchspule 3 sowie aus
einer Rückführvorrichtung und einer Steuerdüse 4 besteht, die beide mit einem pneumatischen
Verstärker 5 in Verbindung stehen, wobei der Steuerfläche 2 die Steuerdüse 4 und
der Tauchspule 3 ein Permanentmagnet 6 zugeordnet sind und der Waagebalken 1 in
Nullpunktstellung auf der Rückführvorrichtung mit vorgegebenem Abstand zwischen
Steuerfläche 2 und Steuerdüse 4 aufliegt, während die Tauchspule 3 um ein vorgegebenes
Maß in den Permanentmagneten 6 eintaucht. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird an der in den Permanentmagneten 6 eintauchenden Tauchspule 3 eine Meßkraft
von z. B. O bis 10 p erzeugt. Dazu ist die Tauchspule 3 an eine elektrische Gleichstromquelle
7 angeschlossen
und wird mit einem Eingangssignal von z. B. O bis
20 mA, 4 bis 20 mA oder auch mit anderen Eingangssignalen gespeist.
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Der pneumatische Verstärker 5 ist an eine Zuluftleitung 8 angeschlossen
und wird mit Zuluft von z. B. 1,4 bar versorgt. Der Ausgangsdruck bzw. das Ausgangssignal
beträgt 0,2 bis 1,0 bar, und zwar linear zum Eingangssignal. Die Rückführvorrichtung
ist unter Zwischenschaltung von Drosseln 9, 10 einerseits an den pneumatischen Verstärker
5, andererseits an die Zuluftleitung 8 angeschlossen. Darüber hinaus ist dem Waagebalken
1 eine Nullpunktfeder 11 zugeordnet, über die der Waagebalken 1 unter Zwischenschaltung
eines Hebelarmes 12 auf eine Nullpunktstellung eingestellt werden kann. Erfindungsgemäß
besteht die ebenfalls an den pneumatischen Verstärker 5 angeschlossene Rückführvorrichtung
aus einer Rückführbuchse 13 und einer darin mit vorgegebenem Bewegungsspiel auf
einem Luftpolster schwebenden gegen den Waagebalken 1 angedrückten Steuerkugel 14.
Die Rückführbuchse 13 und die Steuerkugel 14 können aus korrosionsbeständigem Material
wie z. B. Kunststoff, Edelstahl bestehen.
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Für die Steuerkugel kommen darüber hinaus Quarzglas oder synthetische
Edelsteine in Frage. Der Waagebalken 1 besteht aus Gründen der Gewichtsersparnis
aus einem dünnwandigen Metallrohr, z. B. Aluminium oder Messingrohr. Ein solches
Metallrohr kann z. B. einen Innendurchmesser von 2,6 mm und einen Außendurchmesser
von 3 mm bei einer Gesamtlänge von 110 mm aufweisen, ohne daß Durchbiegungen und
dadurch Unregelmäßigkeiten im Zuge der Signalumformung zu befürchten sind. Die Steuerfläche
2 am Waagebalken 1, welche der Steuerkugel 14 zugeordnet ist, besteht ebenfalls
aus Gründen der Gewichtsersparnis aus einem Leichtmetallkörper mit einer hochglanzpolierten
Hartmetallauflage geringer Stärke von z. B. 0,02 bis 0,1 mm. Der Waagebalken 1 ist
mit einem Kontergewicht 15 und einem verschiebbaren Kleingewicht
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zur Feintarierung bestückt. Die Rückführbuchse 13 mit der Steuerkugel 14 und die
Steuerdüse 4 sind zwischen dem Auflager 17 für den Waagebalken 1 und der Tauchspule
3 angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Signalumformer arbeitet wie folgt: Über die Zuluftleitung
8 fließt ein Luftstrom einerseits in den pneumatischen Verstärker 5, andererseits
über die zwischengeschaltete Drossel 9 der Steuerdüse 4 zu. Dieser Luftstrom kann
über die Steuerdüse 4 zunächst ungehindert in die Atmosphäre abströmen, weil ein
entsprechender Abstand zur Steuerfläche 2 gegeben ist. Wirkt jedoch am Waagebalken
1, der durch die Masse des Kontergewichts 15 ausgewogen ist, eine die Steuerdüse
4 verschließende Kraft, neigt sich also der Waagebalken 1 mit seiner Steuerfläche
2 gegen die Steuerdüse 4, dann tritt zwischen der Steuerdüse 4 und der ihr vorgeordneten
Drossel 9 ein Staudruck auf. Über die Nullpunktfeder 11 läßt sich der Waagebalken
1 nun im Sinne einer verschleißenden Kraft so belasten, daß der entstehende Staudruck,
der über die weitere Drossel 10 und einem Volumenbehälter 18 auf die Eingangsfläche
des pneumatischen Verstärkers 5 wirkt, zu einem Ausgangsdruck bzw. Ausgangssignal
von 0,2 bar führt. Dieser Ausgangsdruck wird über die kraftkompensierende Rückführfläche
der Steuerkugel 14 so auf den Waagebalken 1 gelenkt, daß ein Kräftegleichgewicht
erreicht wird. Wird nun der Tauchspule 3, die sich zwischen den Polschuhen des Permanentmagneten
6 befindet, ein elektrischer Gleichstrom zugeführt, also ein Eingangssignal, so
taucht die Tauchspule 3 tiefer in den Permanentmagneten 6 ein, regelmäßig bis sich
die Steuerfläche 2 auf die Steuerdüse 4 auflegt. Die Steuerdüse 4 bleibt dann so
lange geschlossen, bis jene Kraft, die durch den ansteigenden Ausgangsdruck auf
die Rückstellfläche
der Steuerkugel 14 wirkt, den Waagebalken in
Gleichgewichtstellung zurückgeführt hat und folglich das Kräftegleichgewicht wiederhergestellt
ist. Unter der Voraussetzung, daß die durch die Nullpunktfeder 11 eingeleitete Meßanfangskraft
konstant bleibt, kann jede Druckerhöhung im Ausgang des pneumatischen Verstärkers
5 als linear-proportional zum elektrischen Eingangsstrom bzw. Eingangssignal angesetzt
werden. Die Masse des Kontergewichts 15 am Waagebalken 1 ist so ausgelegt, daß sie
zu einer leichten Überkompensation der auf den Waagebalken 1 wirkenden Massen führt.
Am Waagebalken 1 ist deshalb zur Feintarierung das verschiebbare Kleingewicht 16
angebracht.
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L e e r s e i t e