DE2810257A1

DE2810257A1 - Elektropneumatischer strom/stellung- wandler

Info

Publication number: DE2810257A1
Application number: DE19782810257
Authority: DE
Inventors: Robert F Estes; Everett O Olsen; Paul W Rezendes; George F Williams
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2810257C2; NL7802604A; NL182337C; IT1101824B; GB1572584A; FR2383476B1; NL182337B; JPS53113976A; FR2383476A1; IT7848379A0; JPS5826042B2

Description

28102b?

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel

Möhlstraße 37 The Foxboro Company D-8000 München 80

Foxboro, Mass., V.St.A. Tel.:089/982085-87

Telex: 0529802 hnk! d

Telegramme: ellipsoid

9- März 1978

Elektropneumatischer Strom/Stellung-Wandler

Die Erfindung "betrifft Strom/Stellung-Wandler zur Verwendung bei Geräten für die industrielle Verfahrensregelung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wandler dieser Art, der insbesondere ein Pneumatik- bzw. Luftdruck-Ausgangssignal zu liefern oder mittels pneumatischer Mittel die Stellung eines angetriebenen Elements, z.B. des Schafts eines Verfahrensregelventils,proportional zu steuern vermag.

Die Umwandlung von elektrischen EingangsSignalen, welche verschiedene Regelveränderliche bzw. -großen darstellen, in pneumatische Ausgangssignale, die als Sollwerteingangssignale für pneumatisch betriebene Geräte oder unmittelbar für die Einstellung des Schafts eines Ventils benutzt werden können, ist auf dem Gebiet der Geräte für die industrielle Verfahrensregelung an sich bekannt. Im Laufe der Jahre sind zahlreiche Vorrichtungen für diesen Zweck entwickelt worden.

Bei bestimmten bisherigen Geräten oder Instrumenten wird der elektrische Eingangsstrom entweder mittels einer Schwingspule oder mittels eines Drehmomenterzeugers mit flachem Anker zunächst in eine äquivalente Kraft umgewandelt. Diese

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Kraft wird dann mittels eines Balgens über ein angelenktes Element abgeglichen. Ein pneumatisches Klappen-Düsensystem hält das angelenkte bzw. Schwenkelement in einer Nullstellung durch Anlegung des nötigen Ausgleichdrucks an den Balgen. Auf diese Weise wird Äquivalenz zwischen dem Eingangsstrom und dem Ausgangsdruck hergestellt.

Dieses Verfahren zur pneumatischen Erzeugung eines Ausgangssignals durch einander entgegenwirkende Kräfte wird üblicherweise als "Kraftausgleichsystem" bezeichnet. Dieses System zeichnet sich dadurch aus, daß nur wenig wahrnehmbare Bewegung zwischen den verschiedenen betrieblichen Teilen (d.h. Düsenklappe, Schwenkelement und Balgen) auftritt. Typischerweise liegt der Bewegungsbereich dieser Teile in der Größenordnung von 0,0254 mm. Instrumente bzw. Geräte dieser Art sind im Handel von den Firmen The Foxboro Company (Modell 69TA) und Fisher Governor Company (Typ 546) erhältlich.

Ungeachtet des bisherigen Entwicklungsaufwands, der sich im Angebot zahlreicher Geräte oder Instrumente für dieses Anwendungsgebiet niederschlägt, sind diese Geräte entweder nicht voll zufriedenstellend oder in Aufbau und Herstellung aufwendig. Insbesondere die bisherigen Geräte des Kraftausgleichtyps besitzen nur begrenzte Vielseitigkeit für die Anwendung in anderen Verfahrensregelfällen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausschaltung zahlreicher Nachteile und Einschränkungen der bisherigen elektropneumatischen Stellungswandler durch Schaffung einer genau arbeitenden und zuverlässigen Vorrichtung, die ungünstigen Umwelteinflüssen gegenüber widerstandsfähig, dabei aber einfach und kompakt gebaut ist und eine außerordentlich große Vielseitigkeit für vielfältige Anwendungszwecke bietet. In bevorzugter, noch zu beschreibender Ausführungsform der Erfindung wird der Eingangsstrom an einen elektromechanischen Wandler in

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Form eines einfachen Motors angelegt, der einen Dauermagneten als Stator oder Ständer und eine federgebremste Drehspule als Rotor oder Läufer aufweist. Der Magnet befindet sich innerhalb des Umrisses der Spule, die mit zwei Biegepunkten verbunden ist, welche nicht nur als Schwenkpunkte zur Ermöglichung einer Drehung der Spule um den Magneten, sondern auch als Federbremselemente zum Ab- oder Ausgleichen des durch den Eingangsstrom erzeugten Drehmoments dienen. Der der Spule eingespeiste Eingangsstrom induziert dabei eine der Größe des eingespeisten Stroms proportionale mechanische Drehung der Spule um die Mittelachse des Magneten herum.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

An der Spule ist eine mit ihr über einen Kreisbogen mitbewegliche Klappe angebracht, die so angeordnet ist, daß sie die Düse einer pneumatischen Schaltung zu verschließen vermag. Bei Stromanlegung an die Spule ändert die Klappe ihre Winkelstellung zum Verschließen der Düse, wodurch der Gegendruck im Düsenkreis geändert wird. Dieser Druck wird verstärkt und dann über geeignete Rückkopplungselemente zu einem Steuerhebel übertragen, an dem die Düse montiert ist, so daß die Düse durch das aufgrund dieser Düsen-Klappen-Wechselwirkung erzeugte Drucksignal derart verstellt wird, daß ein im wesentlichen konstanter Abstand zwischen Klappe und Düse erhalten bleibt. Obgleich zwischen Klappe und Düse kein körperlicher Kontakt besteht, bewirkt die Bewegung der Klappe eine 1:1-Nachlaufbewegung (one-to-one follow-up movement) der Düse, welche im Fall dieses elektropneumatischen Wandlers der Größe des eingespeisten ExngangsStroms proportional ist. Dieser Steuer- bzw. Regelkreis bewirkt also sozusagen einen Bewegungsabgleich der zusammenwirkenden Teile. Der durch die Düse erzeugte pneumatische Gegendruck ist dem angelegten Eingangsstrom proportional und kann als pneumatisches Ausgangssignal für beliebige vielfältige Zwecke benutzt werden.

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Der Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinigt in sich hohe Meßgenauigkeit, speziell unter dem Einfluß von Stoß und Schwingung, mit einer kompakten, symmetrischen Konstruktion, die sich wirtschaftlich herstellen läßt und eine erhöhte Anwendungsvielseitigkeit bietet.

Da sich die Spule in den stärksten Magnetflußbereichen eines intensiven Magnetfelds dreht, wird die Linearität der Ausgangs- oder Abtriebsbewegung gegenüber dem Eingangsstrom verbessert, wodurch die Gesamtgenauigkeit der Vorrichtung weiter verbessert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische Darstellung eines elektropneumatischen Strom/Stellung-Wandlers mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Stirnseitenansicht des Wandlers nach Fig. 1 mit entferntem Vorrichtungsgehäuse zur deutlicheren Veranschaulichung der Beziehung zwischen den betrieblichen Bauteilen,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig. 1, wiederum mit entferntem Gehäuse, zur Darstellung der Einzelheiten der pneumatischen Rückkopplungsanordnung,

Fig. 4 eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische Darstellung der Motoranordnung der Vorrichtung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Motoranordnung von Fig. 4,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Aufhängung für die Motoranordnung,

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Fig. 7 eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers zur Steuerung der Stellung eines Ventilschafts,

Fig. 8 eine Stirnseitenansicht des Wandlers nach Fig. 7 mit abgenommenem Vorrichtungsgehäuse,

Fig. 9 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig. 7 mit entferntem Gehäuse zur Veranschaulichung der Einzelheiten der Rückkopplungsanordnung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Wandlers gemäß Fig. 7 zur Veranschaulichung eines typischen Elements im Rückkopplungskreis bei Auslegung des Wandlers für die Steuerung der Stellung eines Ventils und

Fig. 11 eine perspektivische Darstellung eines Bereichseinstellmechanismus des Wandlers nach Fig. 7.

Der erfindungsgemäße elektropneumatische Strom/Stellung-Wandler 10 gemäß den Fig. 1 bis 3 weist ein zylindrisches Instrumenten- bzw. Vorrichtungs-Gehäuse 12 auf, an dessen einem Ende ein Motor 14 angebracht ist. Sine Klappe 16, die durch den Motor längs einer bogenförmigen, aber im wesentlichen lotrechten Bahn verstellt wird, verschließt die Düse 18 eines Pneumatikkreises mit einem Rückkopplungsbalgen 20 und einem Relais 22, die auf übliche Weise über Leitungen 23, 24 miteinander verbunden sind. Der Balgen 20 ist mit seinem oberen Ende über eine plattformartige Halterung 26 starr am Gehäuse befestigt, während sein unteres Ende mit einem Düsen-Steuerhebel 28 zusammenwirkt, der zur Ermöglichung kleiner Schwenkbewegungen durch zwei verformbare Blattfedern 29, 30 gehaltert ist. Die Düse ist mit dem Hebel 28 über eine Strebe 32 in der Weise verbunden, daß bei Stromanlegung an den Motor, wo-

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durch die Klappe gegen die Düse bewegt wird, im Balgen eine entsprechende Druckerhöhung entsteht, durch die eine Düsenbewegung hervorgebracht wird, welche der Bewegung der Klappe äquivalent ist und welche in dieselbe Richtung wie diese erfolgt.

Der Motor 14 (vgl. Fig. 4 bis 6) besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 40, das einen zylindrischen Dauermagneten 41 umschließt, wobei zwischen dem Magneten und dem Gehäuse eine längliche, im wesentlichen rechteckige Spule vorgesehen ist. Die zweckmäßige Aufhängung der Spule wird später noch näher erläutert werden. Der Magnet ist längs seines einen Rands an einem elektrischen Anschlußblock 43 befestigt, in den Eingangs-Stromleitungen 44, 45 hineinführen. Die richtige Ausrichtung des Magneten im rohrförmigen Gehäuse wird durch eine Winkelhalterung 46 gewährleistet, die sich längs der gesamten Achse des Magneten erstreckt und zwischen diesem und dem Gehäuse einen Keil (wedge) bildet. Infolge dieser Anordnung kann sich die Spule drehen, ohne den Magneten oder das Gehäuse zu berühren. Zur Verhinderung einer Störung oder Beeinflussung durch die Magnetfeldverteilung sind der Anschlußblock und die Winkelhalterung aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt.

Der Magnet 41 ist längs seines Durchmessers so magnetisiert, daß seine Nord-|und Südpole längs der gesamten Achse des Magneten einander diametral gegenüberliegen. Das rohrförmige Gehäuse 40 besteht vorzugsweise aus einem Weicheisenmaterial, um einen Rückflußweg zu bilden und dadurch das Magnetfeld an den betreffenden Nord- und Südpolen zu verstärken. Darüber hinaus schirmt das Gehäuse die drehbare Spulen-Magnet-Anordnung vor Einflüssen äußerer Magnetfelder ab.

Die Langseiten der Spule 42 dienen als ihre wirksamen Seiten, die daher derart neben den Polen des Magneten angeordnet sind,

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daß der größte Teil des Magnetfelds durch die wirksamen Seiten hindurch verläuft. Zur Ermöglichung einer entsprechenden Drehung der Spule um den Magneten 41 ist diese Spule an einem Rahmen 47 montiert, an dessen beiden Enden V-förmige Biegeträger 48A, 48B vorgesehen sind. Die Anordnung aus der Spule und dem Rahmen ist um den Magneten herum aufgesetzt, der seinerseits auf dem Anschlußblock 43 ruht. Die Winkelhalterung 46 ist so über die Oberseite des Magneten aufgesetzt, daß ein Anschlußpunkt für zwei Biegestücke 49A, 49B an den beiden Enden der Spule gebildet wird. Bei der Montage wird diese gesamte Unterbaugruppe in das rohrförmige Gehäuse 40 eingesetzt, so daß die Spule derart aufgehängt ist, daß sie eine Drehung um die Symmetrieachse des Magneten herum durchzuführen vermag. Die endgültige Ausrichtung bzw. Ausfluchtung und Befestigung erfolgt durch Festziehen einer nicht dargestellten, im Gehäuse angeordneten Stellschraube, die am Anschlußblock angreift. Selbstverständlich ist die Spule sorgfältig so dimensioniert, daß bei der Drehung über den Arbeitsbereich des Geräts eine Berührung mit dem Magneten oder dem rohrförmigen Gehäuse sicher verhindert wird.

Diese ganz spezielle Konfiguration des Motors, bei dem sich die Spule gegenüber dem Magneten an dessen Außenseite dreht, bietet verschiedene Vorteile. Diese ausgeglichene bzw_e abgeglichene, symmetrische Konstruktion gewährleistet eine minimale Empfindlichkeit gegenüber den ungünstigen Einflüssen von äußeren, eine Verschiebung bewirkenden Schwingungen aufgrund von Unwucht, die von Fertigungs- und/oder von Montagetoleranzen herrührt. Weiterhin ist die gesamte Spulenanordnung einem höchst intensiven, gleichmäßigen Magnetfeld ausgesetzt, so daß die Rotationslinearität-Ansprechkennlinie des Motors verbessert wird. Eine Verbesserung des dynamischen Ansprechens wird dadurch erreicht, daß an der Spule ein Kupferleiter in Form einer kurzgeschlossenen Wicklung angebracht wird. Hierdurch wird eine ausreichende Dämpfung er-

zielt, um das sog. "Klingeln" infolge der plötzlichen Anlegung eines elektrischen EingangsStroms sowie äußerer Schwingungseinflüsse weitgehend zu unterdrücken.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wandlers näher beschrieben. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich ein Abschnitt des Spulenrahmens 47 in der Nähe des Umfangs des Gehäuses 40 von beiden radialen Rändern seitlich nach außen unter Bildung von zwei Laschen bzw. Klappen 16 und 17. Der Zweck dieser zweiten, nach rückwärts gerichteten Klappe 17 wird im folgenden noch näher erläutert werden. Wenn die Spule 42 mit einem Eingangsstrom positiver Polarität beaufschlagt wird, wird durch die dabei stattfindende Wechselwirkung mit dem Magnetfeld ein Drehmoment erzeugt, welches die Spule zu einer Drehung im Uhrzeigersinn zwingt, bis ein Drehmomentausgleich zwischen den erzeugten Magnetkräften und der durch die beiden Biegestellen bzw. -stücke 49A, 49B ausgeübten Bremskraft erreicht ist. Die resultierende Winkeldrehung ist also im wesentlichen der Größe des zugeführten EingangsStroms proportional. Ersichtlicherweise erfüllen die Dreh-Biegestücke somit die doppelte Aufgabe, daß sie einmal die Spule um den Magneten herum haltern bzw. aufhängen und zum anderen eine genau gesteuerte Federkennung bzw. Federkraft zur Bestimmung der Größe der Drehbewegung gewährleisten. Im normalen Betriebsbereich der Vorrichtung besitzt die Klappe eine Nenn-Winkeldrehung von 7°.

Der Strom/Stellung-Wandler gemäß den Fig. 1 bis 3 ist so ausgelegt, daß er ein elektrisches Eingangssignal in ein entsprechendes Druckausgangssignal umwandelt. Wenn sich die Klappe 16 unter dem Einfluß eines angelegten Stromsignals dichter an die Düse 18 heran bewegt, nimmt der Gegendruck in der Düse aufgrund der Strömungsdrosselung zu. Dieser Gegendruck wird auf übliche Weise durch das Relais 22 verstärkt und über die Leitung 24 an den Rückkopplungsbalgen

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20 angelegt. Wie erwähnt, ist der Balgen in eine am Vorrichtungsgehäuse 12 befestigte Konstruktion einbezogen, die einen durch Feder gebremsten Steuerhebel 28 umfaßt, mit dem die Düse mittels einer Stützstrebe 32 verbunden ist.

Wenn sich der Druck im Balgen erhöht, erfährt der Düsen-Steuerhebel 28 gegen die durch die Blattfeder 29, 30 ausgeübte Bremskraft eine Auslenkung, wodurch die Düse in dieselbe Richtung wie die Klappe, d.h. von dieser hinweg, bewegt wird, bis der Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist. Am neu erreichten Gleichgewichtspunkt ist der erhöhte Balgendruck dem Eingangssignal unmittelbar proportional. Ein sich erhöhender Eingangsdruck bewirkt daher einen Anstieg des im Balgen erzeugten Ausgangsdrucks. Bei einer typischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich zur Verwendung bei industriellen Verfahrensregelanlagen eignet, erzeugt ein Eingangsstrom von 4 - 20 mA ein entsprechendes Ausgangssignal von 0,21 - 1,05 bar. Durch die Schaltung von Dioden 51, 52 über die Eingangsklemmen der Spule wird ein Stromweg zur Zerstreuung von in der Spule gespeicherter Energie für den Fall eines Eingangssignals von einem offenen Stromkreis geschaffen, wodurch Eigensicherheit gewährleistet wird, wenn die Vorrichtung in einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzt wird.

Durch die insgesamt symmetrische Konstruktion des Wandlers 10, speziell bezüglich der Drehwinkelbeziehung zwischen Motor, Klappe und Düse, wird auch die genaue Justierung der Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Zur Einstellung des Nullpunkts der Vorrichtung (Nullabgleich) ist die Motoranordnung gemäß Fig. 3 auf zwei konischen Drehzapfen 33 und 34 gelagert. Am hinteren Deckel des Motors 14 ist ein Flansch 35 befestigt, gegen den eine federbelastete Nulleinstellschraube 36 wirkt. Wenn die Schraube 36 gedreht wird, dreht sich der Motor auf den Drehzapfen, was eine entsprechende Bewegung der Klappe zur Folge hat, die ihrerseits zu einer Änderung des Ausgangsdrucks führt. Eine Lastfeder 38 hält dabei die Motoreinstellung

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aufrecht. Durch entsprechendes Drehen der Nulleinstellschraube kann damit sehr genau ein Ausgangssignal niedrigen Drucks (Null) von z.B. 0,21 bar für einen niedrigen Eingangsstrom von z.B. 4 mA eingestellt werden.

Bei jeder wesentlichen Änderung des Arbeitsbereichs der Vorrichtung müssen die Blattfedern 29, 30 und/oder der Balgen 20 durch Elemente mit anderer Federkennung ersetzt werden.

zum

Kleine Bereichseinstellungen/Kompensieren von Fertigungstoleranzen können dagegen ohne weiteres im Werk und/oder am Einsatzort vorgenommen werden. Zwei Kontermuttern 54 und 55 auf einem Stehbolzen 56, der zwischen der plattformartigen Halterung 26 und einer ebenfalls am Gehäuse 12 befestigten Bereichseins teil -Hai te rung 58 befestigt ist, ermöglichen ein Verschwenken der gesamten Rückkopplungsbalgenanordnung im wesentlichen parallel zur Klappe 16. Wenn diese Muttern auf dem Stehbolzen verstellt werden, wird durch die Biegung der Halterung die Düse 18 über die Klappe hinweg verschoben, während der Abstand zwischen beiden im wesentlichen erhalten bleibt. Durch diese Justierung wird der effektive Drehradius des Motors verändert, und da die Vorrichtung auf der Grundlage eines Abgleichs der Bewegung der betrieblichen Bauteile arbeitet, wird durch eine Änderung des Hebelarmverhältnisses zwischen Klappe und Düse eine Änderung des Arbeitsbereichs bzw. des Ausschlags hervorgebracht. Durch die beiden, zur Sicherung vorgesehenen Muttern wird auch eine zusätzliche Abstützung gegen Schwingung geboten.

Die vergrößerte Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Wandlers kann beispielsweise dadurch belegt werden, daß die gesamte Motoranordnung aus dem Instrumentengehäuse ausgebaut werden kann, indem der Stehbolzen 56 von der plattformartigen Halterung 26 getrennt wird und die Bereichseinsteil-Halterung 58 sowie eine Masseleiste 59 (galvo strap) herausgenommen werden_o Anschließend kann der Motor umgedreht wieder eingebaut werden,

so daß die andere Klappe 17 die Düse 18 verschließt. Da diese zweite Klappe 17 der ersten Klappe 16 diametral gegenüberliegt und sieb um dieselbe Achse dreht, wird durch ein sich vergrößerndes Stromsignal diese Klappe von der Düse wegbewegt, so daß der Ausgangsdruck im Balgen abfällt. Sofern im speziellen Anwendungsfall eine umgekehrte Beziehung zwischen Eingang und Ausgang erforderlich ist, kann mit dieser speziellen, doppelseitigen Motorkonfiguration durch einen einfachen Umrüstvorgang eine Drehrichtungsumkehrung ohne Umpolung erreicht werden. Eine Umpolung des Stroms würde nämlich auch eine Umkehrung der Polarität der Dioden 51 und 52 bedingen, wodurch die von diesen gebotene Eigensicherheit für die Gesamtvorrichtung beeinträchtigt werden würde. Bei der Umrüstung des Motors auf die beschriebene Weise sind in den meisten Fällen selbstverständlich kleinere NachJustierungen für Nullabgleich und Bereichseinsteilung der Vorrichtung auf vorher beschriebene Weise nötig.

In den Fig. 7 bis 11 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Strom/Stellung-Wandlers dargestellt, der sich für die Einstellung bzw. Steuerung der Stellung des Schafts eines Verfahrensregelventils eignet. Eine oberflächliche Betrachtung dieser Figuren läßt bereits die auffällige Ähnlichkeit mit dem Strom/Druck-Wandler gemäß den Fig. 1 bis 3 erkennen. Die Grundkonstruktionen beider Vorrichtungen, insbesondere die mit dem Stromeingangssignal beaufschlagten Motoren, sind in beiden Fällen identisch. Gewisse kleinere, im folgenden noch zu beschreibende Änderungen wurden am Rückkopplungskreis zur Ermöglichung der Steuerung der Ventilschaftstellung vorgenommen. Diese weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion der Motor/Klappen-Anordnung verdeutlicht die weitreichende Vielseitigkeit dieser Gesamtkonstruktion in Anwendung auf elektropneumatische Geräte.

Wie erwähnt, entspricht die gesamte Motoranordnung 14 mit der

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einstückig mit ihr verbundenen Klappe 16 der vorher beschriebenen Konstruktion. Die Düse 70 des Pneumatikkreises ist jedoch an einem L-förmigen Rückkopplungshebel 71 montiert, der an einem Gehäuseträger 72 mittels eines Querbiegestücks 73 mit senkrecht zur Zeichnungsebene von Fig. 8 liegendem Schwenkpunkt schwenkbar verbunden ist. Wenn an den Motor Strom angelegt wird, verdreht sich die Klappe zum Verschliessen der Düse, wodurch an einem Relais 74 (Fig. 10) ein Gegendruck erzeugt wird. Der entsprechende Anstieg des Ausgangsdrucks des Relais wird zu einer Ventilstell-Druckkammer übertragen, durch die eine Bewegung des Ventilschafts hervorgebracht wird. Die Ventilbetätigungs- oder Ventilstellanordnung ist an sich bekannt und daher nicht dargestellt. Bezüglich weiterer Einzelheiten der Arbeitsweise einer solchen Anordnung wird auf die US-PS 2 661 725 verwiesen. Die Linearverschiebung des Ventilschafts wird in an sich bekannter Weise, typischerweise mittels eines Hebels, in eine Drehung einer Stellungsrückkopplungswelle 75 umgewandelt.

Die drehbare Welle 75 durchsetzt das Instrumentengehäuse 12 durch ein Flammenschutzlager 76 (flame path bearing), wo sie mit einer Zwischen- bzw. Übertragungsanordnung 77 gemäß Fig» 11 verbunden ist. Die Anordnung 77 umfaßt eine Halterung 78, deren eines Ende mit der Welle 75 fest verbunden ist und die an ihrem anderen Ende eine Rolle 81 trägt. Die Rolle 81 liegt am Hebel 71 an einer Stelle an, die seitlich von der Schwenkachse des Hebels versetzt ist. Eine zwischen den Hebel und den Gehäuseträger eingesetzte Schraubenfeder 82 drängt den Hebel über den Arbeitsbereich des Stelltriebs hinweg gegen die Rolle. Bei der Drehung der Welle 75 bewirkt also die Übertragungsanordnung eine Umwandlung der Drehbewegung in einen lotrechten Winkelausschlag der Düse. Wenn die Rolle auf die in Fig. 7 dargestellte Weise angeordnet, d.h. zur Rückseite der Vorrichtung hin seitlich vom Dreh- bzw. Schwenkpunkt versetzt ist, wird durch die Drehung der Welle eine Verschie-

bung der Düse hervorgebracht, welche dem Ausschlag der Klappe (vgl. Fig. 8) folgt, bis die Gesamtanordnung für das neue Stromeingangssignal wieder ausgeglichen ist, so da3 sich an diesem Punkt der Ausgangsdruck stabilisiert und die Ventilbewegung aufhört. Infolge der Anordnung der Stellungsrückkopplungswelle, eines schwenkbar gelagerten Rückkopplungshebeis sowie zusätzlicher Hebel bewirkt also ein an den Eingang des Wandlers angelegter Strom eine proportionale Positionierung des Ventilschafts.

Zur Verdeutlichung der Vielseitigkeit bzw. Anpassungsfähigkeit dieser Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden auf Fig. 11 Bezug genommen, welche die Rolle 81 veranschaulicht, die starr an einem Block 79 befestigt ist, der seinerseits auf eine Schraubspindel 80 aufgeschraubt ist. Durch einfache Justierung der Schraubspindel wird der Berührungspunkt zwischen der Rolle und dem Hebel 71 geändert und somit das Verhältnis zwischen der Drehung der Stellungsrückkopplungswelle 75 und dem Winkelausschlag der Düse 70 variiert. Diese Einstellung ermöglicht eine Anpassung an Änderungen der Ventils chaftbewegung bei gleicher Motorbewegung. Falb nämlich der Anlagepunkt zur gegenüberliegenden Seite des Dreh- bzw. Schwenkpunkts, d.h. zur Vorderseite der Vorrichtung hin verlagert wird, wird tatsächlich eine Umkehrung der Ventilhubrichtung in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck ohne Stromumpolung erreicht.

Der Nullabgleich dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt auf dieselbe Weise, wie sie in Verbindung mit dem Wandler gemäß Fig. 1 beschrieben wurde.

Obgleich vorstehend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sollen diese die Erfindung lediglich erläutern und keinesfalls einschränken, da dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

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Mit der Erfindung wird also ein elektropneumatischer Strom/-Stellung-Wandler mit einem Elektromotor geschaffen, der als Stator einen Dauermagneten und als Rotor bzw. Läufer eine federgebremste, um den Magneten herum schwenkbar aufgehängte Spule aufweist. Ein der Spule eingespeister Eingangsstrom induziert eine mechanische Drehung der Spule um den Magneten, wobei diese Drehung dem eingespeisten Strom proportional ist. An der Spule ist zur Drehung mit dieser eine Klappe befestigt, welche die Düse eines Pneumatikkreises zu verschliessen vermag. Wenn die Spule mit Strom gespeist wird, bewegt sich die Klappe gegen die Düse, wodurch der Gegendruck im Pneumatikkreis geändert wird. Diese Druckänderung wird verstärkt, dann durch entsprechende, auf Druck ansprechende Einrichtungen abgegriffen und anschließend zu einem Steuerhebel rückgekoppelt, an welchem die Düse montiert ist. Auf diese Weise wird die Düse neu eingestellt, so daß zwischen Klappe und Düse ein im wesentlichen konstanter Abstand erhalten bleibt. Das von diesem pneumatischen Steuerkreis erzeugte Drucksignal ist dem eingespeisten Strom proportional, und es kann als pneumatisches Ausgangssignal für verschiedene andere Zwecke benutzt werden. Offenbart sind zwei spezielle Ausführungsformen des Wandlers, von denen die eine ein Stromeingangssignal in ein entsprechendes Druckausgangssignal umwandelt und die andere mit einem elektrischen Eingangssignal zur Proportionalsteuerung der Stellung des Schafts eines Verfahrensregelventils beaufschlagbar ist.

Claims

Patentansprüche

(J^ Pneumatisch betätigter Strom/Stellung-Wandler, gekennzeichnet durch einen mit einem Eingangsstrom speisbaren Motor (14) mit einem drehbaren Abtriebsglied (42), dessen Winkelstellung der Größe des EingangsStroms entspricht, durch eine pneumatische Klappen/Düseneinheit (16, 18), deren eines Element am Motor-Abtriebsglied in einer von dessen Drehachse radial versetzten Stellung angebracht ist und bei dessen Drehbewegung eine Bewegung über einen Kreisbogen durchführt, durch einen das andere Element der Klappen/Düseneinheit tragenden, verschiebbaren Träger (32) zur Ermöglichung einer Verschiebung dieses anderen Elements in Abhängigkeit von der Bewegung des erstgenannten Elements, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines pneumatischen Ausgangsdrucksignals in Abhängigkeit vom Gegendruck an der Düse (18) und durch eine vom Ausgangsdrucksignal gesteuerte pneumatische Rückkopplungseinrichtung (20) mit einem mit dem verschiebbaren Träger gekoppelten, eine Bewegung hervorbringenden Mittel in solcher Anordnung, daß das zweitgenannte Element unter Aufrechterhaltung eines engen Abstands zwischen Klappe und Düse bewegbar ist.

Hz/Bl/ro
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Gehäuse aus einem magnetischen Weicheisenmaterial und einen mit Abstand vom Gehäuse fest in dieses eingebauten, zylindrischen Dauermagneten mit diametral gegenüberliegenden, über seine Länge verlaufenden Nord- und Südpolen aufweist und daß das Abtriebsglied eine im Gehäuse schwenkbar aufgehängte und den Magneten in seinem Hagnetflußfeld umschließende Spule ist, die bei einem sie durchfließenden Strom um den Magneten, .herum drehbar ist.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Seiten der Spule neben den Polen des Magneten und innerhalb der Masse des von diesem erzeugten Magnetfelds angeordnet sind, so daß effektiv Linearität zwischen der Abtriebsbewegung und dem Eingangsstrom gewährleistet ist.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule länglich ausgebildet ist und daß die wirksamen Seiten ihre Langseiten sind.
5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule an den gegenüberliegenden Enden mittels zugeordneter Biegestücke aufgehängt ist, die eine genau gesteuerte Federkennung zur Bestimmung der Größe der Winkeldrehung der Spule gewährleisten.
6. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Randkante der Spule ein Kupferleiter in Form einer kurzgeschlossenen Wicklung oder Windung als Dämpfungselement zur Verbesserung des dynamischen Ansprechverhaltens des Wandlers angeordnet ist.
7. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe am einen Ende der Spule und die Düse am verschiebbaren Träger montiert sind.

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8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende der Spule eine zweite Klappe vorgesehen ist, die sich um dieselbe Achse wie die erstgenannte Klappe dreht, jedoch dieser diametral gegenüberliegend angeordnet ist, so daß dann, wenn der Motor ungekehrt in den Wandler eingebaut ist, die zweite Klappe die Düse verschließt und dabei ohne Notwendigkeit für eine Umpolung des EingangsStroms ein umgekehrtes Verhältnis zwischen Eingangsstrom und Abtriebs- bzw. Ausgangsstellung einführt.
9« Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor an seinen gegenüberliegenden Enden auf konischen Drehzapfen gelagert ist, die seine Drehung zur Ermöglichung eines Nullabgleichs des Wandlers zulassen.
10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Ende des Motors ein Flansch befestigt ist und daß eine gegen den Plansch federbelastete Schraube vorgesehen ist, die dann, wenn sie gedreht wird, den Motor mit der ersten Klappe unter Herbeiführung einer Änderung des Ausgangsdrucksignals bei vorgegebenem Eingangsstrom verdreht.
11. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß über den Eingang der Spule Dioden als Offenkreisschutz geschaltet sind, so daß die Eigensicherheit des Wandlers verbessert ist.
12. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatische Rückkopplungseinrichtung eine auf Druck ansprechende Einrichtung umfaßt, welche das Ausgangsdrucksignal abnimmt und dieses in eine den verschiebbaren Träger beaufschlagende Kraft umwandelt, und daß mit dieser Einrichtung ein Federmittel gekoppelt ist, welches die Stellung dieses Trägers proportional dem Druck angleicht,

so daß der Druck als dem Eingangsstrom proportionales Ausgangssignal benutzbar ist.
13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel aus Blattfedern besteht, die mit dem verschiebbaren Träger verbunden und so angeordnet sind, daß sie eine kleine Schwenkbewegung dieses Trägers zulassen, wenn dieser mit der Kraft beaufschlagt wird, und daß die auf Druck ansprechende Einrichtung ein Balgen ist.
14. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vom verschiebbaren Träger abgewandten Ende der auf Druck ansprechenden Einrichtung eine im wesentlichen steife, aber verformbare Traganordnung angebracht ist, welche als Halter für das Federmittel dient und praktisch parallel zum verschiebbaren Träger angeordnet ist, und daß mit der Traganordnung Mittel zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Klappe und Düse unter Aufrechterhaltung eines konstanten Abstands zwischen beiden verbunden sind, so daß eine Einstellung des Arbeitsbereichs des Wandlers durchführbar ist.
15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die das Übersetzungsverhältnis ändernden Mittel einen Stehbolzen umfassen, welcher die Traganordnung rechtwinkelig mit dem Wandler verbindet und der eine erste verstellbare Mutter zum Durchbiegen der Traganordnung zwecks Hervorbringung einer Parallelverschiebung im effektiven Radius der Klappen/Düseneinheit sowie eine zweite verstellbare Mutter zur Festlegung der Radiusverschiebung unter weitgehender Ausschaltung eines Schwingungseinflusses auf die Bereichseinstellung aufweist.
16. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatische Rückkopplungseinrichtung einen Ventil-

Stelltrieb, welcher das Ausgangsdrucksignal aufnimmt und eine Verschiebung eines Ventilschafts einführt, und eine den Stelltrieb mit dem verschiebbaren Träger verbindende Einrichtung zur Hervorbringung proportionaler Übereinstimmung zwischen der Stellung des Ventilschafts und der Stellung des verschiebbaren Trägers aufweist, so daß der Ventilschaft eine dem Eingangsstrom entsprechende Stellung einnimmt.
17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ventilschaft eine sich durch den Wandler erstreckende Welle gekoppelt ist, die in Abhängigkeit von der Bewegung des Ventilschafts eine Drehbewegung durchzuführen vermag, daß an der Welle eine mit dieser mitdrehbare Halterung angebracht ist, daß am anderen Ende der Halterung eine am verschiebbaren Träger anliegende Rolle angeordnet ist und daß der verschiebbare Träger am Wandler an einer Stelle angelenkt ist, die seitlich von der Stelle versetzt ist, an welcher die Rolle den Träger berührt, so daß eine Winkelvers chiebung des zweitgenannten Elements unter Erhaltung des engen Abstands zwischen Klappe und Düse hervorbringbar ist.
18. Wandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Einstellung des Berührungspunkts zur Einstellung von Änderungen der Größe und/oder Richtung der Ventilschaftbewegung bei vorgegebenem Eingangsstrom vorgesehen ist.
19. Pneumatisch betätigter Strom/Stellung-Wandler, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Vorrichtungsgehäuse, durch ein in letzteres eingebautes Gehäuse aus einem magnetischen Weicheisenmaterial, durch einen in letzteres Gehäuse mit Abstand von diesem starr eingebauten Dauermagneten mit einander gegen-

überliegenden Nord- und Südpolen, durch eine im Gehäuse innerhalb des Magnetfelds des Magneten schwenkbar aufgehängte Spule, die im Raum zwischen dem Magneten und dem Gehäuse um ersteren herum drehbar ist, durch eine an der Spule mit dieser mitbewegbar angebrachte Klappe, durch eine Einrichtung zur Anlegung eines elektrischen Eingangsstroms an die Spule zur Einführung einer Winkeldrehung von Spule und Klappe, durch ein mit der Spule verbundenes Federmittel, das gewährleistet, daß die Spulenstellung der Größe des angelegten Stroms proportional ist, durch einen im Vorrichtungsgehäuse neben dem zweitgenannten Gehäuse schwenkbar gelagerten, verschiebbaren Träger, durch eine am Träger montierte, dicht neben der Klappe angeordnete pneumatische Düse, die durch die Klappe verschließbar ist, durch eine pneumatische Einrichtung zur Erzeugung eines Drucksignals als Funktion des Abstands zwischen Klappe und Düse und durch eine auf das Drucksignal ansprechende Rückkopplungseinrichtung, um den verschiebbaren Träger mit einer Kraft zu beaufschlagen, die eine entsprechende Änderung der Düsenstellung einführt, so daß zwischen Klappe und Düse ein im wesentlichen konstanter Abstand erhalten bleibt.
20. Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe an der Spule an einer radial von ihrer Drehachse versetzten Stelle montiert ist, so daß sie bei der Drehbewegung der Spule eine bogenförmige Bewegung bzw. eine Bewegung über einen Kreisbogen durchführt.

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