DE3410795C2 - elektropneumatischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektropneumatischen Wandler zum Einstellen eines Druckes in proportionaler Abhängigkeit eines elektrischen Steuersignals, mit einem Gehäuse, das in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt ist, einem mit einer Kammer in Verbindung stehenden Einlaß, einem mit einer Kammer in Verbindung stehenden Strömungsauslaß und einer mit einer Kammer in Verbindung stehenden Auslaßdüse und mit einem einen Anker und einen Permanentmagneten umfassenden Solenoid, dessen Anker mit einem Stellglied verbunden ist, welches axial verschiebbar gegenüber der Auslaßdüse zum Steuern des Fluidstromes daraus angeordnet ist.

Ein solcher elektropneumatischer Wandler ist aus der DE 30 15 980 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein rohrförmiger Anker des Solenoids innerhalb eines rohrförmigen Ansatzes des Spulenträgers geführt. Der Anker ist fest mit einer durch ihn hindurch koaxial geführten Stange verbunden. Die Enden der Stange stehen auf beiden Seiten des Ankers hervor. Ein Ende der Stange ist mit einer Stirnmutter als Anschlag für den größtmöglichen Hub des Ankers und der Stange versehen. Der Anker ist entgegen seiner Einzugsrichtung in den Spulenkörper von einer Druckfeder gegenüber einem Permanentmagneten abgestützt und vorgespannt. Das zweite Ende der Stange ist mit einem bügel- oder topfförmigen Gegenlager, auf dem eine Druckfeder gegenüber einem an einer Membran angeordneten Schließkörper abgestützt ist, versehen. Der Schließkörper wird durch die Druckfeder auf einen Ventilsitz gepreßt. Die Öffnung im Ventilsitz verbindet eine erste und eine zweite Kammer. Die erste Kammer ist mit einer Einlaß- und einer Auslaßbohrung versehen. Die zweite Kammer weist nur einen Auslaßkanal auf. Die beiden Auslaßkanäle sind mit einem Hauptgasventil verbunden.

Die US-PS 3244190 zeigt ein pneumatisches Relais-Ventil, dessen Steuerung über ein mit einem Ventilkörper versehenen Bi-Metallelement erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen. Wandler zur Verfügung zu stellen, der einen vereinfachten Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stellglied durch den als Permanentmagneten ausgebildeten Anker gebildet ist, dessen eine Stirnfläche zum Steuern des Fluidstroms direkt mit der Auslaßdüse zusammenwirkt.

Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeich­ nung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen elektro­ pneumatischen Wandler.

Der in der Zeichnung dargestellte Wandler wandelt ein elektri­ sches Eingangssignal, welches eine Zustandsgröße repräsentiert, etwa eine Temperatur, in ein pneumatisches Ausgangssignal um, nämlich einen pneumatischen Druck, der proportional der Größe des Eingangssignals ist und zum Steuern der variablen Zustands­ größe verwendet wird.

Der Wandler umfaßt ein pneumatisches Relais 10, welchem über eine Einlaßleitung 11 ein Druckströmungsmittel zugeführt wird, etwa Luft unter Überdruck, und welches am Auslaß 12 Luft abgibt, deren Druck von der Höhe des Eingangssignals abhängt, welches ein Wandlerelement 13 steuert. Letzteres bewegt ein Stellglied 14 gegen die Öffnung einer Auslaßdüse 15 und steuert damit die durch diese ausfließende Luft und dadurch wiederum den Gegen­ druck, der den Druck am Auslaß 12 bestimmt.

Das pneumatische Relais 10 befindet sich in einem aus zwei topfförmigen Teilen 16 und 17 zusammengesetzten Gehäuse, welche aus einem festen, nicht magnetischen Material geformt sind und so miteinander verbunden sind, daß die Innenräume der topfför­ migen Teile einander zugewandt sind. Zwischen den topfförmigen Teilen ist eine Blende 18 eingesetzt, so daß der Innenraum des Gehäuses in zwei Kammern 19 und 20 unterteilt wird. Der Einlaß 11 bildet ein axial durch die Stirnwand 21 des topfförmigen Gehäuseteils 16 sich erstreckendes Rohr, während der Auslaß 12 ein parallel dazu verlaufendes Rohr bildet, welches jedoch in radialem Abstand von dem Einlaß liegt. Im oberen Ende einer koaxial zum Einlaß liegenden Bohrung 23 sitzt ein Filter 22, der die durch den Einlaß eintretende Luft filtert. In das unte­ re Ende dieser Bohrung ist ein Deckel 24 eingesetzt, der einen Einlaßkanal 25 aufweist, der durch eine Ventilkugel 26 norma­ lerweise verschlossen ist, welche in einem zum Einlaß hinwei­ senden erweiterten Bereich 27 des Einlaßkanals sitzt.

In einer zweiten Bohrung 29, die an das innere Ende des Auslas­ ses 12 anschließt, sitzt ein Filter 28, der durch eine Feder­ scheibe 30 gehalten wird.

Die Blende 18 umfaßt eine zentrale Metallscheibe 31 sowie eine flexible ringförmige Gummisicke 32. Die Innenkante derselben bildet einen Wulst 33, der mit einer Ringnut versehen ist, in der der Rand der Metallscheibe 31 gehalten wird. Die äußere Kante der Gummisicke 32 ist zwischen den Gehäuseteilen 16 und 17 eingespannt. Durch die Mitte der Metallscheibe erstreckt sich eine Bohrung, die in einen Ventilsitz übergeht, der durch einen ringförmigen Vorsprung 35 an der Oberseite der Metallscheibe gebildet ist. Die Kammer 19 steht mit der Kammer 20 über die Bohrung in der Metallscheibe 31 in Verbindung und wird normalerweise durch eine Ventilkugel 37 geschlossen gehal­ ten, die über einen Schaft 38 mit der Ventilkugel 26 fest ver­ bunden ist, so daß beide Ventilkugeln im gleichen Sinne und Maße betätigt werden. An der Unterseite der Metallscheibe 3.1 greift eine Schraubenfeder 39 an, deren anderes Ende auf dem Boden einer Vertiefung 40 aufliegt, die an der Innenseite der Stirnwand 41 des Gehäuseteils 17 gebildet ist. Die Schrauben­ feder 39 drückt die Blende 18 nach oben.

Die Auslaßdüse 15 ist in einer zylindrischen Buchse 42 ausge­ formt, deren oberer Bereich 42a einen verringerten Durchmesser aufweist und in eine Axialbohrung in der Stirnwand 41 des Ge­ häuseteils 17 eingesetzt ist. Die zylindrische Buchse 42 weist noch einen radialen Flansch 44 auf, der an der Unterseite der Stirnwand 41 anliegt.

Die Auslaßdüse 15 geht in einen zentralen Kanal 45 über, der sich bis durch den oberen Bereich 42a der zylindrischen Buchse erstreckt. Das untere Ende der Auslaßdüse 15 ist von einem axialen Vorsprung 46 umgeben. Von der Stirnwand 41 des Gehäuse­ teils 17 erstreckt sich ein einstückig mit diesem ausgebildeter zylindermantelförmiger Kragen 47 nach unten und bis über die zylindrische Buchse 42 und dient als Staubschutz für die Düse. Das Stellglied 14 liegt außerhalb des Gehäuses 16, 17 und be­ wegt sich in Richtung auf den axialen Vorsprung 46 oder von diesem weg und verändert damit die Strömung durch die Auslaß­ düse 15.

Eine Änderung der Zustandsgröße, welche das Stellglied 14 in Richtung auf die Auslaßdüse 15 bewegt, reduziert die Luftströ­ mung aus der Kammer 20 durch die Auslaßdüse. Als Folge davon fließt mehr Luft aus der Kammer 19 durch die Öffnung 36 in die Kammer 20 als von letzterer nach außen, so daß der Druck in dieser Kammer ansteigt. Dieser ansteigende Druck bewegt die Blende 18 nach oben, so daß unter Vermittlung der Ventilkugel 37 und des Schaftes 38 die Ventilkugel 26 von dem Einlaßkanal 25 abgehoben wird und Luft durch den Einlaß 11 einströmen kann, so daß der Druck in der Kammer 19 und an der Auslaßöffnung 12 zunimmt, wodurch die Blende wieder in ihre Ruhelage zurückbe­ wegt wird, in der die Ventilkugel 37 die Bohrung 34 verschließt und die Ventilkugel 26 eine geringe Luftströmung durch den Ein­ laßkanal 25 zuläßt, um die durch die Auslaßdüse abfließende Luft zu ersetzen. Diese Gleichgewichtslage wird auch erreicht bei einer Änderung der Zustandsgröße im Sinne einer Reduzierung der von dem Stellglied 14 gegen die Auslaßdüse 15 ausgeübten Kraft.

Ändert sich die Zustandsgröße in einer solchen Richtung, daß das Stellglied 14 von der Auslaßdüse 15 fortbewegt wird, so fließt Luft mit einer höheren strömungsgeschwindigkeit aus der Auslaßdüse heraus, so daß der Druck in der Kammer 20 abnimmt. Der dann in der Kammer 19 bestehende höhere Druck lenkt die Blende 18 nach unten aus, und da die Ventilkugel 37 sich nicht mitbewegen kann, da sie mit der Ventilkugel 26 fest verbunden ist, wird die zentrale Bohrung in der Metallscheibe 31 freige­ geben. Dadurch strömt nun mehr Luft aus der Kammer 19 in die Kammer 20, so daß der Druck in der Kammer 19 und am Auslaß 12 abnimmt, bis wieder eine Gleichgewichtslage der Blende erreicht ist.

Bei dem beschriebenen Wandler wirkt ein Solenoidrelais mit einer pneumatischen Dose zusammen. Das Eingangssignal ist also ein elektrisches Signal, während das Ausgangssignal einen pneumati­ schen Druck darstellt. Das Stellglied 14 bildet dabei den Anker des Solenoids, das einen Druck gegen die Auslaßdüse 15 ausübt, so daß das Ausgangssignal schnell und genau auf die variable Zustandsgröße anspricht. Das Wandlerelement 13 umfaßt ein Solenoid mit einer Wicklung 48, die koaxial zur Auslaßdüse 15 liegt. Das Stellglied 14 bildet einen Permanentmagnetanker.

Man erkennt aus der Figur, daß ein zweiter Permanentmagnet 49 vorgesehen ist, der mit dem Stellglied 14 zusammenwirkt und dazu dient, die Stellung desselben unter vorgegebenen Bedingun­ gen zu justieren, um auf diese Weise den Wandler zu kalibrie­ ren.

Die Wicklung 48 ist auf einen Wickelkörper 50 aus nicht magne­ tischem und nicht leitendem Material, etwa Kunststoff, gewic­ kelt und sitzt auf einem nicht magnetischen Rohrstück 51, etwa aus Messing. Der Innendurchmesser dieses Rohrstückes ist in dem oberen Bereich 52 etwas erweitert und paßt über den unteren Be­ reich der zylindrischen Buchse 42. Das obere Ende des Rohrstüc­ kes stößt an den radialen Flansch 44 an, und das untere Ende ist durch einen nicht magnetischen Stopfen 53 verschlossen, der mit seiner oberen Hälfte in das Rohrstück hineinragt und einen zentralen radialen Flansch 54 aufweist, der an die untere Stirn­ kante des Rohrstückes 51 anstößt. Letzteres ragt lediglich teil­ weise in den Wickelkörper 50 hinein, so daß der obere Bereich des Stellgliedes 14 oberhalb der Wicklung 48 liegt, während das untere Ende in die Wicklung hineinragt. Der das Stellglied 14 bildende Magnet ist zylindrisch und kann sich frei im Innern des Rohrstückes relativ zu der Auslaßdüse 15 bewegen. Die Pole des Permanentmagneten sind so gewählt, daß bei einer Erhöhung des Stromes durch die Wicklung 48 das Stellglied 14 gegen die Auslaßdüse 15 bewegt wird, so daß der Druck am Auslaß 12 an­ steigt. Das Stellglied muß dabei gegen den Druck arbeiten, der von der Strömung aus der Auslaßdüse ausgeübt wird und der das Stellglied von der Auslaßdüse 15 fortbewegt, wenn der Strom in der Wicklung 48 abnimmt. Die Polarität des das Stellglied 14 bildenden Permanentmagneten kann jedoch auch entgegengesetzt gewählt sein, so daß bei einer Zunahme des Stromes durch die Wicklung 48 der Druck am Auslaß 12 abnimmt. Diese Wirkung ist entgegen der Kraft des Kalibriermagneten, der das Stellglied 14 gegen die Auslaßdüse 15 zu drücken bestrebt ist. Die obere Stirnfläche 55 des Stellgliedes sollte plan sein, um in Verbindung mit der linearen Abhängigkeit der von dem Strom durch die Wicklung auf das Stellglied 14 ausgeübten Kraft eine lineare Abhängigkeit der gesteuerten Größe von der Steuergröße zu errei­ chen. In dem Rohrstück 51 sind unmittelbar unterhalb der zylin­ drischen Buchse 42 Öffnungen 56 vorgesehen, die verhindern, daß sich ein Druck in dem Rohrstück 51 aufbauen kann.

Der zweite Permanentmagnet 49 ist so gepolt, daß er auf das Stellglied 14 eine abstoßende Kraft ausübt. Er sitzt unterhalb des Stellgliedes 14 und läßt sich in axialer Richtung verstel­ len. Der zweite Permanentmagnet 49 wird so eingestellt, daß der von der Strömung aus der Auslaßdüse 15 hervorgerufene Gegendruck und die Schwerkraft des Magneten im Gleichgewicht sind mit der von der Wicklung 48 und dem zweiten Permanentmagneten 49 ausge­ übten Kraft. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einander benachbarten stirnenden des Stellgliedes 14 und des zweiten Permanentmagneten 49 Nordpole, während die anderen Enden Südpole bilden. Wenn die Anordnung umgedreht wird, hat die Schwerkraft natürlich das Bestreben, das Stellglied 14 in Rich­ tung auf die Auslaßdüse 15 zu bewegen, und die magnetischen Kräfte sollten dementsprechend kalibriert werden.

Der zweite Permanentmagnet 49 ist zylindrisch und hat etwa den gleichen Durchmesser wie das Stellglied 14. Er ist in einem Messingrohr 57 gelagert, welches koaxial zu dem Rohrstück 51 verläuft und gewissermaßen eine Fortsetzung desselben bildet. Das Messingrohr 57 ist über die untere Hälfte des Stopfens 53 gesteckt und liegt an dem Flansch 54 an. Das untere Ende des Messingrohrs 57 ist durch einen Deckel 58 verschlossen, der einen zentralen Vorsprung 59 aufweist, welcher in das Messing­ rohr 57 eingepreßt ist. Der Deckel ist mit einer zentralen Ge­ windebohrung versehen, in die eine Stellschraube 60 eingedreht ist, die an die Unterseite des zweiten Permanentmagneten 49 an­ stößt. Durch Verdrehen der Stellschraube 60 läßt sich also der zweite Permanentmagnet 49 in Richtung auf das Stellglied 14 oder von diesem weg bewegen, wodurch sich der Wandler kalibrie­ ren läßt. Das untere Ende des Messingrohres 57 ist von einer nicht magnetischen Buchse 61 umgeben. An die Anschlußdrähte 62 und 63 der Wicklung 48 ist ein Stellwiderstand 64 als Neben­ schluß geschaltet.

Der Stopfen 53 bewirkt, daß das Stellglied 14 und der zweite Permanentmagnet 49 sich nicht berühren können, so daß eine Ent­ magnetisierung dieser Teile vermieden wird.

Die aus der Auslaßdüse 15 ausströmende Luft kann durch den Spalt zwischen dem Stellglied 14 und dem Rohrstück 51 sowie dem Stop­ fen 53 fließen und bewirkt den Aufbau eines Luftkissens unter­ halb des Stellgliedes, welches eine Dämpfungswirkung ausübt, so daß unerwünschte Schwingungen des Stellgliedes vermieden werden.

Der beschriebene Wandler ist so dimensioniert, daß bei einem Druckunterschied von etwa 16 mPa zwischen beiden Seiten der Blenden 18 ein Eingangssignal an der Wicklung 48 zwischen 24 mA einem Druck am Auslaß 12 von 200 bis 1000 mPa entspricht. Dabei ist die Bewegung des Stellgliedes 14 so klein, daß sie praktisch nicht wahrnehmbar ist, nämlich in der Größenordnung von etwa 2·10^-6 mm.

Das Stellglied 14, welches den Anker des als Solenoid ausgebil­ deten Wandlerelements 13 darstellt, wirkt direkt mit der Auslaß­ düse 15 zur Änderung des Druckes am Auslaß 12 zusammen. In Ver­ bindung mit der planen Oberfläche der oberen Stirnfläche 55 er­ gibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Druck am Aus­ laß und der Spannung an der Wicklung 48. Der einstellbare zweite Permanentmagnet 49 ergibt eine einfache und wirksame Kalibrier­ möglichkeit des Wandlers.

Claims (14)

1. Elektropneumatischer Wandler zum Einstellen eines Druckes in proportionaler Abhängigkeit eines elektrischen Steuersignals, mit einem Gehause (16, 17), das in eine erste und eine zweite Kammer (19, 20) unterteilt ist, einem mit einer Kammer (19) in Verbindung stehenden Einlaß (11), einem mit einer Kammer (19) in Verbindung stehenden Strömungsauslaß (12) und einer mit einer Kammer (20) in Verbindung stehenden Auslaßdüse (15) und mit einem einen Anker und einen Permanentmagneten umfassenden Solenoid, dessen Anker (14) mit einem Stellglied verbunden ist, welches axial verschiebbar gegenüber der Auslaßdüse (15) zum Steuern des Fluidstromes daraus angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied durch den als Permanentmagneten ausgebildeten Anker gebildet ist, dessen eine Stirnfläche (55) zum Steuern des Fluidstroms direkt mit der Auslaßdüse (15) zusammenwirkt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (12) und die Auslaßdüse (15) mit verschiedenen Kammern (19, 20) in Verbindung stehen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (16, 17) eine Blende (18) angeordnet ist, die den Innenraum des Gehäuses (16, 17) in die erste und zweite Kammer (19, 20) unterteilt, und daß die Blende (18) eine Öffnung (36) aufweist.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (11) über ein Ventil (25, 26) mit der Kammer (19) verbunden ist, welches den Einlaß oberhalb eines bestimmten Druckes in dieser Kammer (19) sperrt, daß die Blende (18) beweglich ausgebildet ist und eine Ventilbohrung aufweist, auf der eine Ventilkugel (37) aufliegt, die mit dem Ventilglied (26) des ersten Ventils (25, 26) fest verbunden ist, und daß die Blende (18) durch eine Feder (39) in Richtung auf eine Öffnung des Ventils (25, 26) vorgespannt ist.

5. Wandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (14) des Solenoids zylindrisch gestaltet ist und koaxial zur Auslaßdüse (15) angeordnet ist.

6. Wandler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (14) in einem Rohrstück (51) sitzt, dessen unteres Ende durch einen Stopfen (53) verschlossen ist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück auf eine die Auslaßdüse (15) enthaltende zylindrische Buchse (42) aufgesetzt ist und Öffnungen (56) aufweist, die eine Verbindung der Auslaßdüse (15) mit dem Außenraum herstellen.

8. Wandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Auslaßdüse (15) angrenzende Stirnfläche (55) des Permanentmagneten (14) plangestaltet ist.

9. Wandler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (14) nur teilweise in die Wicklung (48) des Solenoid hineinragt.

10. Wandler nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen zweiten Permanentmagneten (49), der in Fluchtung mit dem ersten Permanentmagneten (14) angeordnet ist und dessen Abstand von diesem einstellbar ist.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Permanentmagnet (49) in einem Rohr (57) sitzt, welches eine Verlängerung des Rohrstückes (51) bildet, und daß das eine Ende dieses Rohres durch einen Deckel (58) verschlossen ist, der eine Stellschraube (60) aufnimmt, die an dem zweiten Permanentmagneten (49) anliegt.

12. Wandler nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Permanentmagneten (14, 49) durch den Stopfen (53) voneinander getrennt sind.

13. Wandler nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarten Pole der beiden Magneten (14, 49) eine gleiche Polarität aufweisen.

14. Wandler nach Anspruch 7 bis 12, gekennzeichnet durch einen zylindermantelförmigen Kragen (47), der das Rohrstück (51) bis über die Öffnungen (56) mit Abstand umgibt.