DE4240802C2 - Elektropneumatischer Umformer - Google Patents
Elektropneumatischer UmformerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Umformer, bestehend
aus Vorsteuer- und Hauptstufe, wobei die Vorsteuerstufe elektrisch
ansteuerbar ist.
Ein solcher elektropneumatischer Umformer ist aus der DE-34 00 645 A1
bekannt. Die Vorsteuerstufe besteht im wesentlichen aus einem
piezoelektrischen Biegeelement, welches sich beim Anlegen einer
elektrischen Spannung biegt und hierbei einen pneumatischen Signalgeber
steuert. Bei fehlender elektrischer Spannung liegt das piezoelektrische
Biegeelement auf einem Zuluftsitz auf, gegen den es vorgespannt ist.
Beim Anlegen einer Spannung hebt es sich von diesem Zuluftsitz ab und
verschließt einen Abluftsitz. Die elektrisch ansteuerbare
Vorsteuerstufe ist hierbei durch das piezoelektrische Biegeelement
realisiert, die darüber angesteuerte Hauptstufe ist ein Ventil.
Piezoelektrisch angesteuerte pneumatische Vorstufen haben den
gravierenden Nachteil, daß normalerweise nur kleine pneumatische
Hauptstufen ansteuerbar sind. Der bekannte elektropneumatische Umformer
beinhaltet neben der reinen piezoelektrischen Vorsteuerstufe das bereits
benannte Ventil, jedoch ist wegen der kleinen Schaltleistung das
benannte Ventil nicht als Hauptventil im regulären Sinn zu verstehen.
Mit einer solchen Anordnung wird der Vordruck eines noch größeren zu
betätigenden Ventiles erzeugt. Somit ergibt sich des weiteren der
Nachteil, daß die hier gezeigte Hauptstufe in ihrer Auslegung der
Schaltbarkeit größerer Drücke zu schwach ist. Als für Piezoelemente
typischer Nachteil läßt sich hier die mangelnde Erschütterungsfestigkeit
nennen, die sich auf das Kraft-Masse-Verhältnis des verwendeten
Piezobalkens zurückführen läßt. Ein weiterer Schwachpunkt einer solchen
piezogesteuerten Vorstufe ist der relativ kleine Temperaturbereich, in
dem diese nur einsetzbar ist. Dieser Temperaturbereich erstreckt sich
zwischen minus 20 bis plus 60 Grad C. Der Grund hierfür besteht wohl
darin, daß der Piezobalken aus laminierten Schichten aufgebaut ist,
wobei der dort verwendete Kleber nur im angegebenen Temperaturbereich
einsetzbar ist. Der Betrieb an feuchter sowie verölter Zuluft ist bei
der Verwendung solcher Piezobalken und der nur kleinen Hübe wegen der
internen Adhäsion des Piezobalkens auf der Düse kritisch.
Aus der DE 30 34 326 C2 ist ein elektropneumatischer
Umformer bekannt, bei dem die Vorsteuerstufe
mehrere Vordruckwerte erzeugen kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Umformer zu erhalten, mit
dem bei minimaler elektrischer Leistungsaufnahme eine ausreichend große
pneumatische Leistung gesteuert werden kann, welcher auch bei rauhen
Betriebsbedingungen wie Umgebungstemperaturschwankungen,
Erschütterungen, verschmutzte Zuluft möglichst fehlerfrei arbeitet.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem elektropneumatischen Umformer der
gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Wesentlich ist hierbei nun, daß mit der Vorsteuerstufe durch elektrische
Ansteuerung mindestens drei diskrete Vordruckwerte erzeugbar sind. Im
weiteren ist dann das hierüber pneumatisch angesteuerte Ventil der
Hauptstufe als Wegeventil ausgebildet und weist demnach drei diskrete
Schaltstellungen auf, die nun abhängig von den diskreten Vordruckwerten
betätigbar sind. Bei bekannten elektropneumatischen Umformern mit
Vorsteuer- und Hauptstufe liegt derzeit nur ein Ein/Aus-Verhalten vor.
Die Ansteuerung der drei diskreten Schaltzustände der nachgeschalteten
Hauptstufe erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung, indem einzelne
Druckwerte in der Vorsteuerstufe erzeugt werden, d. h., immer dann, wenn
ein entsprechend diskreter Vordruckwert erzeugt ist, wird auch der
entsprechende Schaltzustand in der Hauptstufe durchgesteuert. Das Ventil
der Hauptstufe ist natürlich auf diese Funktionsbedingung abgestimmt. Um
die genannten Forderungen der Einsatzfähigkeit in rauhen
Betriebsbedingungen auch erfüllen zu können, ist die Vorsteuerstufe nach dem
Prinzip Düse-Prallplatte aufgebaut, d. h. es ist eine Düse vorgesehen, über
welche im Betrieb permanent Zuluft gedrosselt entweicht und auf eine
elektromagnetisch im Abstand zur Düse veränderbare Prallplatte strömt.
Über diesen Abstand werden in einem Zuluftsystem der Düse die diskreten
Vordruckwerte erzeugt. Der Abstand der Prallplatte von der Düse läßt
sich elektromagnetisch leicht und vor allen Dingen reproduzierbar
verändern. Hierdurch ist es auch möglich, mit einer solchen Vorstufe die
genannten diskreten Vorsteuerdrücke zuverlässig zu erzeugen. Das Prinzip
Düse-Prallplatte ist zwar an sich bekannt, jedoch ist bei der
vorliegenden Erfindung vorgesehen, die im Zuluftsystem der Düse
erzeugten diskreten Vordruckwerte direkt als Steuerdruck für die
Hauptstufe einzusetzen, d. h., es ist das
Zuluftsystem der Düse der Vorsteuerstufe pneumatisch mit der bzw. den
Steuerflächen des Wegeventiles, also der Hauptstufe, direkt verbunden.
Das Wegeventil der Hauptstufe wird also direkt von dem im
Zuluftsystem der Düse durch die im Abstand veränderbare Prallplatte
erzeugbaren Druck angesteuert. Bei bekannten Düse-Prallplatten-Systemen
wird üblicherweise der Druck im Zuluftsystem gemessen, d. h. der dort
vorliegende Druck wird in ein elektrisches Signal umgeformt. Dies
entfällt bei der hier vorgegebenen erfindungsgemäßen Lösung ganz.
Durch die Verwendung eines modifizierten Düse Prallplatte-Prinzipes in Verbindung
mit dem entsprechenden Wegeventil als Hauptstufe ist insgesamt ein
elektropneumatischer Umformer gegeben, der unter den aufgabengemäßen
Gesichtspunkten sowohl bei großen Temperaturschwankungen als auch bei
rauhen Umgebungsbedingungen und verschmutzter oder verölter Zuluft
einwandfrei arbeitet. Das System ist außerdem noch
Erschütterungsresistent. Wesentlich ist hierbei, daß der gesamte
elektropneumatische Umformer unter Erfüllung der genannten Bedingungen
schon recht hohe pneumatische Leistungen in der Hauptstufe schaltet, und
daß das gesamte Gerät in Zweileitertechnik ausgebildet ist. Hierdurch
ergibt sich eine hervorragende Eignung für den explosionsgeschützten
Bereich.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Nachfolgenden
näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des elektropneumatischen
Umformers und
Fig. 2 im wesentlichen das auf die Funktion abgestimmte 3/3-Wege
ventil der Hauptstufe.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorsteuerstufe 10 und der
Hauptstufe 20 des elektropneumatischen Umformers. Die Vorsteuerstufe
besteht hinsichtlich des Düse-Prallplatte-Systems aus einem
Elektromagneten 11, der an gegebener Stelle einen Spalt 16 aufweist,
einem magnetischen Körper 12, welcher im Bereich des Spaltes 16
angeordnet und über eine Wippe 13 mit der Prallplatte 14 mechanisch
verbunden ist. Über die Düse 17 entweicht die über den Druckanschluß P
dem Zuluftsystem 15 der Düse zugeführte Druckluft. Diese Druckluft
entweicht in einem von der Düse 17 auf die Prallplatte 14 gerichteten
Luftstrom. Die Druckmittelversorgung des Zuluftsystems 15 ist natürlich
möglichst stationär zu halten, so daß der sich im Zuluftsystem
einstellende Druck im wesentlichen allein abhängig vom Abstand der
Prallplatte 14 von der Düse 17 ist. Dieser Abstand der Prallplatte 14
kann über diese Anordnung, d. h. über die Wippe unter elektrischer
Beaufschlagung des Elektromagneten 11 verändert werden. Das
Zuluftsystem 15 ist dabei wiederum direkt mit der Steuerfläche 21 des
Wegeventiles der Hauptstufe 20 verbunden. Dieses Wegeventil ist hierbei
als 3/3-Wegeventil ausgebildet.
Die Ausbildung der Vorstufe 10 als Düsen-Prallplatte-System ist in
dieser Form zwar aus der DE 32 05 576 bekannt, jedoch wird bei der
bekannten Anordnung das im Zuluftsystem der Düse eingestellte
Druckniveau elektrisch abgegriffen. Bei der vorliegenden
erfindungsgemäßen Lösung findet hier eine direkte Kopplung mit der
Steuerfläche eines nachgeschalteten Ventiles der Hauptstufe statt.
Fig. 2 zeigt das auf diese Funktion abgestimmte 3/3-Wegeventil im
Querschnitt. Über das Leitungssystem 22 wird über ein Filterelement 40
über eine Kugel 23, welche auf eine federnde Membran 24 wirkt, die
Zuluft möglichst druckkonstant zugeführt. Über diese
Kugel-Membran-Anordnung wird ein stationärer Versorgungsdruck für das
Zuluftsystem der Vorsteuerstufe geschaffen. Um eine weitere
Konstantregelung des Versorgungsdrucks für das Zuluftsystem der Vorstufe
zu gewährleisten, wird im weiteren die Zuluft über eine Düse 25 dem
Zuluftsystem 15 aus Fig. 1 der Vorsteuerstufe 10 aus Fig. 1 zugeführt.
Über die Düse 25 sowie die Kugel-Membran-Anordnung wird insgesamt
gewährleistet, daß gemäß der Darstellung aus Fig. 1 das Zuluftsystem 15
der Vorsteuerstufe 10 an konstantem Versorgungsdruck liegt, so daß, wie
bereits erwähnt, das Druckniveau im Zuluftsystem 15 einzig vom Abstand
der Prallplatte zur Düse 17 gemäß Fig. 1 abhängig ist. Hierdurch
erfolgt eine Sensibilisierung des Druckluftsystems der Vorsteuerstufe
10, so daß die Erzeugung des Druckniveaus im Zuluftsystem der
Vorsteuerstufe von keiner anderen Störgröße mehr abhängig ist, und
somit das Ansprechen des Ventiles der Hauptstufe sehr genau und
reproduzierbar erfolgen kann. Der Ausgang der Drossel 25 mündet nun in
ein Leitungssystem, welches zum einen parallel in das in Fig. 1
dargestellte Zuluftsystem 15 der Vorsteuerstufe 10 mündet, und parallel
dazu in den Ansteuerraum der Steuerfläche bzw. Steuerflächen 21 des
Wegeventiles mündet. Die Steuerflächen bzw. deren Vorräume sind von der
übrigen weiteren Ventilkanalführung hermetisch über die Membran 35
abgeschlossen. Diese ist durch entsprechende Einwölbungen derart
biegsam, daß ohne weiteres der Vorsteuerdruck auf die
Betätigungselemente 38 und 39 ausgeübt werden kann. Das
Betätigungselement 38 ist mechanisch mit dem Ventilstößel 26 und das
Element 39 mit dem Ventilstößel 27 verbunden. Mit dem Ventilstößel 26
ist der Ventilteller 29 verbunden, welcher über einen Dichtring 32 auf dem
Ventilsitz 33 aufliegt. Eine Druckfeder 28 ist gegenüber der
Steuerfläche 21 so angeordnet, daß der Ventilstößel 26 mitsamt des
Ventiltellers 29 über die Dichtung 32 auf den Ventilsitz 33 gedrückt
wird. Dieses benannte Einzelventil wird über die Steuerfläche 21
entgegen der Druckfeder 28 bei Erreichen eines entsprechenden Druckes,
der die über die Feder 28 eingestellte Federkraft überwinden kann,
geöffnet, so daß der Ventilteller 29 vom Ventilsitz 33 abhebt. Das
andere Teilventil, welches durch den Stößel 27 und den Ventilteller 30
sowie die Dichtung 31 und den Ventilsitz 34 gebildet wird, ist bezüglich
seiner Betätigungsrichtung zum erstgenannten Teilventil antiparallel.
An der entsprechenden Stelle ist ebenfalls eine Druckfeder 43
angeordnet, wobei diese Feder 43 entsprechend der gegenüber dem anderen
Teilventil konstruktiv bewirkten anderen Öffnungsrichtung bestrebt ist,
dieses Teilventil zu öffnen. Der an der Steuerfläche anliegende Druck 21
ist dann je nach dem, welcher Druck über die Vorsteuerstufe erreicht
wird, in der Lage, ein Öffnen dieses Teilventils zu verhindern, indem
der Druck an der Steuerfläche das Betätigungselement 39 und den
Ventilstößel 27 entgegen der Federkraft betätigt und somit den
Ventilteller 30 über die Dichtung 31 auf den Ventilsitz 34 aufpreßt.
Ist die durch den Steuerdruck bewirkte Kraft gegenüber der Federkraft
der Feder 43 zu klein, so wird sich dieses Teilventil öffnen. Wesentlich
ist hierbei also, daß die beiden Steuerflächen 21 zueinander jeweils
gemeinsam auf dem in dem Zuluftsystem der Vorsteuerstufe erzeugten
Druckniveau liegen. Um die Betätigungselemente 38 und 39 in ihrer
gewollten Beweglichkeit immer auf ein festes Druckniveau zu setzen, zu
dem der Vorsteuerdruck dann in Differenz die Kraft auf die
Betätigungselemente ausübt, sind auch hierbei entsprechende Vorräume
gegeben, die zwischen der gemeinsamen Membran 35 und jeweils einer
weiteren Membran 36 und 37 definiert sind, wobei diese Vorräume unter
Atmosphärendruck stehen. Ebenfalls befinden sich die Druckfedern 28 und
43 in Kammern, die über entsprechende Membrane 41 und 42 vom übrigen
Druckraum getrennt sind und ebenfalls unter Atmosphärendruck stehen.
Auch diese Membranen sind wie alle übrigen Membranen derart ausgebildet,
daß die Ventilstößelbewegung ohne weiteres möglich ist. Das Teilventil
26 schaltet beim Öffnen des Ventiltellers 29 den Versorgungsdruck P in
die Arbeitsleitung A durch. Beim Öffnen des Ventiltellers 30 über den
Stößel 27 wird die Arbeitsleitung in die Entlüftungsleitung R
durchgeschaltet.
Insgesamt ergibt sich durch eine solche Ventilausgestaltung in
Verbindung mit der entsprechend beschriebenen Vorsteuerstufe die
Funktion eines 3/3-Wegeventiles, welches pneumatisch über drei diskret
einzustellende Druckniveaus vorgesteuert wird. Die drei Schaltstufen,
die durch die drei diskreten Vordruckniveaus angesteuert werden, sind
- a) Belüften
- b) Entlüften
- c) Aus
Alle Elemente sind im Hinblick auf die gegebene Erfindung in
vorteilhafter Weise aufeinander abgestimmt. Denkbar ist eine
Vervielfachung der Schaltpositionen, die einfach durch Änderung der
Hauptstufe bewerkstelligbar ist, wobei die Vorstufe letztendlich die
gleiche bleibt, denn es ist unter Verwendung der bereits dargestellten
Vorsteuerstufe eine beliebige Anzahl von diskreten Vordruckwerten durch
elektrische Ansteuerung erzeugbar.
Das System ist außerdem im Rahmen der genannten Vorteile relativ
erschütterungsfest und unbeeinflußt von rauhen Betriebsbedingungen.
Claims (4)
1. Elektropneumatischer Umformer, bestehend aus Vorsteuer- und
Hauptstufe, wobei die Vorsteuerstufe elektrisch ansteuerbar
ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorsteuerstufe (10) als Düse-Prallplatte-System
ausgebildet ist, über welche Zuluft gedrosselt entweicht und
auf eine elektromagnetisch im Abstand zur Düse (17) veränderbare
Prallplatte (14) strömt, über die im Zuluftsystem (15) der
Düse (17) mindestens drei diskrete Vordruckwerte erzeugbar
sind, und daß das hierüber pneumatisch angesteuerte Ventil
(20) der Hauptstufe als Wegeventil ausgebildet ist und mindestens
drei diskrete Schaltstellungen aufweist, die abhängig von den
diskreten Vordruckwerten betätigbar sind.
2. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventil (20) der Hauptstufe als 3/3-Wegeventil ausgebildet
ist.
3. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zuluftsystem (15) der Düse (17) der Vorsteuerstufe
(10) pneumatisch mit der Steuerfläche (21) bzw. den Steuerflächen
(21) des Wegeventils (20) direkt verbunden ist.
4. Elektropneumatischer Umformer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zuluftsystem (15) pneumatisch vor der bzw. den
Steuerflächen (21) des 3/3-Wegeventils (20) der Hauptstufe
eine einstellbare Drossel (25) vorgesehen ist.
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