DE69219877T2

DE69219877T2 - Elektropneumatische positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE69219877T2
Application number: DE69219877T
Authority: DE
Inventors: Howard W. Foxboro Ma 02035 Nudd; Robert C. North Marshfield Ma 02059 Prescott; Philip H. Walpole Ma 02081 Sanford; Donald C. Norton Ma 02766 Simpson
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1992-06-10
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: EP0554415A1; EP0554415A4; EP0554415B1; DE69219877D1; JPH06501138A; AU2179792A; WO1992022860A1; CA2089176A1; ES2101104T3; US5159949A; AU651723B2

Description

Naheliegende Anmeldungen

Diese Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der Patentanmeldung der Vereinigten Staaten Reg.-Nr. 500,524, eingereicht am 28. März 1990, herausgegeben als US-Patent Nr. 5,022,425 vom 11. Juni 1991, welches eine Abzweigung der Patentanmeldung der Vereinigten Staaten Reg.-Nr. 289,224, eingereicht am 23. Dezember 1988, jetzt US-Patent Nr. 4,926,896, ist.

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wandler und insbesondere auf den Typ von Wandlern, welcher elektrische Eingangssignale entweder in mechanische oder in Druck-Ausgangssignale umwandelt.

Hintergrund der Erfindung

Wandler werden bei einer Vielzahl von Anwendungsbereichen für die Umwandlung einer Energieform in eine andere verwendet. Die Energieformen, bei welchen häufig eine Umwandlung erforderlich ist, schließen elektrische, mechanische, Druck-, Licht-, Wärme, Schall-Energie usw. ein. Es kann eingeschätzt werden, daß Wandler bei den meisten Maschinen oder Ausrüstungen notwendig sind, weil es selten vorkommt, daß eine Maschine nicht zwischen zwei oder mehr Energieformen arbeitet.
Die Entwicklung und Herstellung von Wandlern sind in hohem Maße auf Konkurrenz eingestellte Gebiete geworden. Es gibt ein dauerndes Bemühen, für Wandler zu sorgen, welche zuverlässiger, genauer, billiger, leicht herzustellen und kompakter sind. Wandler von Strom auf Druck gehören zu der Klasse von Wandlern, welche einen hohen Grad an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfordern, während sie trotzdem kosteneffektiv bleiben. Die US- Patente Nr. 3,441,053; 4,492,246; und 4,527,583 offenbaren ausgeklügelte Wandler, die generell für die Umwandlung elektrischer Eingangsenergie über ein mechanisches Zwischenmedium zur Steuerung eines Ausgangs-Gasdrucks angepaßt sind. Das erste der angegebenen Patente ist mechanisch kompliziert, während die beiden letzteren angegebenen Patente in hohem Maße ausgeklügelt sind und eine große Anzahl elektrischer Bauelemente erfordern. Wie üblicherweise typisch ist eine Verbesserung bei der Zuverlässigkeit oder Genauigkeit eines Wandlers generell von einer Steigerung der Kompliziertheit der Ausrüstung begleitet.
Bei vielen Wandlern und insbesondere den Wandlern von elektrischer in Druckenergie, welche in Kohlenwasserstoff-Raffinerien genutzt werden, ist es erforderlich, daß sie explosionsgeschützt sind. Es kommen bisher spezielle Vorkehrungen, in hohem Maße ausgeklügelte und kostenaufwendige Verkapselungen eingeschlossen, zur Anwendung, um solche Wandler mechanisch einwandfrei und robust zu machen, um eine interne Explosion, wenn eine solche auftreten sollte, abzufangen und zu verhüten, daß ein daraus resultierender Brand oder eine Flamme sich in die Umgebung hinein ausbreitet. Spezielle Aufmerksamkeit wird auch Schaltkreiselementen geschenkt, welche elektrische Energie speichern können, wie beispielsweise Kondensatoren oder Drosselspulen, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren oder zu beseitigen, daß solche Elemente Funken erzeugen. Die explosionssichere Gestaltung durch Kapseln eines Wandlers des Typs, welcher eine sich bewegende Spulenwicklung hat, kann außerordentlich schwierig sein. Typischerweise ist es hindernd, die Spule bezogen auf einen Permanentmagneten beweglich zu montieren, weil Magneten im allgemeinen viel schwerer und voluminöser als die dazugehörigen Spulen sind. Bei einem solchen Wandler wird das elektrische Eingangssignal an die sich bewegende Spule angelegt, welche sich dann unter dem Einfluß des feststehenden Permanentmagneten bewegt. Dank der Tatsache, daß es erforderlich ist, daß sich die Spule in Übereinstimmung mit dem Strom bewegt, welcher an dieselbe angelegt wird, ist es außerordentlich schwierig, eine solche Spule zu kapseln und den gesamten Wandler explosionssicher zu machen.
Aus dem Vorstehenden kann man ersehen, daß ein Bedarf für einen verbesserten Wandler von elektrischer in mechanische Energie besteht, welcher zuverlässig, kosteneffektiv, genau und leicht herzustellen ist. Ein zusätzlicher Bedarf besteht für einen explosionssicheren Wandler des Typs, welcher eine Kombination aus einem leichten Permanentmagneten und einer Spulenwicklung hat, wobei aber die Wicklung an einer Rahmenkonstruktion befestigt ist, um einen Explosionsschutz des Wandlers leichter zu machen. Ein weiterer Bedarf besteht für einen verbesserten Wandler von Druck in Strom, der einen leichten Magneten mit einem hohen Grad an permanenter Magnetisierung hat, so daß ein kleinerer Magnet verwendet werden kann, wodurch ebenfalls die Größe und Kompliziertheit des Wandlers reduziert wird. Ein weiterer Bedarf besteht für einen Wandler, welcher eine hohe mechanische Resonanzfrequenz verglichen mit seiner Arbeitsumgebung hat. Eine damit zusammenhängende Notwendigkeit ist die Bereitstellung eines Wandlers, welcher Teile hat, die billig, leicht formbar, von geringem Gewicht und korrosionsbeständig sind. Noch ein weiterer Bedarf besteht für eine Wandlerkonstruktion, welche von reduzierter Kompliziertheit ist, welche wenig sich bewegende Teile hat, eine schnelle Ansprechzeit hat und trotzdem genau und zuverlässig ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend der Erfindung wird ein verbesserter Wandler offenbart, welcher im wesentlichen die Mängel und Nachteile bisheriger, allgemein bekannter Wandler reduziert oder beseitigt. Entsprechend der Erfindung ist ein Permanentmagnet, der aus einem Material hergestellt ist, welches einen außerordentlich hohen Magnetisierunugsgrad hat, für kleine Schwenkbewegungen montiert, wenn er durch Magnetfelder einer Spulenwicklung beeinflußt wird. Die Spulenwicklung ist ihrerseits an einer Rahmenkonstruktion des Wandlers so fest angebracht, daß sie leicht mit einer Umhüllung gekapselt werden kann, um die Wandlereinheit explosionssicher zu machen. Als Reaktion auf sich ändernden Amplituden eines Stroms, durch welchen die Spulenwicklung getrieben wird, schwenkt der Permanentmagnet entsprechend. Eine Kunststoff-Sattelkonstruktion, welche auch eine Verlängerung hat, die einen Verschlußarm definiert, ist so an dem Permanentmagneten montiert, daß dann, wenn der Magnet schwenkt, ein entsprechendes mechanisches Ausgangssignal durch den Verschlußarm erzeugt wird. Die Sattelkonstruktion und der Magnet werden durch die Spulenwicklung umgeben und ein Schwenken durch Verwendung von flexiblen Streifen ermöglicht. Eine Düsenbaueinheit ist an dem Rahmen oder Gehäuse des Wandlers montiert und arbeitet mit dem Verschlußarm zusammen. Das mechanische Ausgangssignal kann in Verbindung mit einer Düse genutzt werden, um den Druck zu steuern und dadurch als Wandler von Strom in Druck funktionieren. Darüberhinaus kann eine Feder zwischen dem Verschlußarm und einem durch Druck betätigten Ventilschaft befestigt werden, um für eine System-Rückkoppelung bei einem pneumatischen Stellglied zu sorgen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Permanentmagnet aus einer Neodym-Eisen-Bor-Gattierung hergestellt und sorgt für eine außerordentlich hohe magnetische Energie. Zusätzlich ist der Magnet in einer Richtung quer zur Achse einer Magnetbewegung querfeldpolarisiert. Der Magnet ist innerhalb der Spulenwicklung so montiert, daß die horizontale Schwenkachse des Magneten quer zu einer vertikalen Achse liegt, um welche die Spulenwicklung zentriert ist, worauf der Magnet in Übereinstimmung mit der elektrischen Erregung der Spulenwicklung schwenkt.
Der Wandler der Erfindung ist weniger empfindlich gegenüber Schwingungen dadurch gemacht, daß der Magnet als kleine Scheibe und mit der Sattelkonstruktion und dem Verschlußarm aus formbarem Kunststoff hergestellt ist, um das Gewicht der sich bewegenden Teile zu reduzieren, wodurch die mechanische Resonanzfrequenz erhöht wird. Bei dieser Konstruktion ist der Wandler weniger empfindlich gegenüber Fehlern, die durch Pumpen und schwingende Geräte verursacht werden, an welchen der Wandler montiert sein kann.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird für eine neuartige Düsen-Verschlußklappen-Anordnung gesorgt, um die Linearität zwischen dem Düsendruck und der entsprechenden auf den Verschlußarm aufgebrachten Kraft zu verbessern. Die Düse hat eine ringförmige Öffnung, welche durch eine scharfe ringförmige Kante definiert wird, welche nach hinten konisch zuläuft. Der Verschlußarm hat einen runden Knopf mit einer ebenen Oberfläche, gegen welche die Luft aus der Düsenöffnung wirkt. Der Durchmesser des Knopfes ist größer, als der Durchmesser der Öffnung in der Düse.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden und spezielleren Beschreibung der bevorzugten und anderer Ausführungsformen offensichtlich, wie sie durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, bei welchen gleiche Bezugszahlen sich generell auf dieselben Teile oder Elemente bei allen Ansichten beziehen und die zeigen in:
Fig. 1 eine verallgemeinerte Schnittansicht eines als Beispiel aufgeführten Strom-Druck-Wandlers für das Veranschaulichen der Prinzipien und Konzepte der Erfindung;
Fig. 2 einen weiteren Wandler, welcher die Prinzipien und Konzepte der Erfindung verkörpert;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Strom-Druck-Wandlers dieser Erfindung, welche den schwenkfähigen Permanentmagneten veranschaulicht, der an einem Joch montiert ist:
Fig. 4 eine isometrische Ansicht des Strom-Druck-Wandlers entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, angeschlossen in Verbindung mit einer Druckvorrichtung für die Umwandlung des mechanischen Ausgangssignals zur Steuerung eines Gasdrucks;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht der flexiblen Streifen von Fig. 3, die benutzt werden, um für eine reibungslose Auflagerung auf dem Joch zu sorgen;
Fig. 6 eine isometrische Ansicht der hauptsächlichen Bestandteile des Wandlers entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht der Düse der Erfindung;
Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht der Verschlußarmkonstruktion entsprechend der Erfindung;
Fig. 9 eine Schnittansicht des Wandlers der Erfindung;
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines elektropneumatischen Drucksystems, in welches der Wandler der Erfindung enthalten ist; und
Fig. 11 grafisch die Beziehung zwischen Düsendruck und Verschlußarmausschlag des Wandlers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 umfaßt den Wandleraufbau zur Veranschaulichung der Prinzipien und Konzepte der Erfindung. Die hauptsächlichen Bestandteile des Wandlers bestehen aus einem Gehäuse 10, um für eine Rahmenkonstruktion zur Montage der anderen Bestandteile des Wandlers daran zu sorgen. Das Gehäuse 10 dieser Ausführungsform ist vorzugsweise aus kohlenstoffarmem Stahl hergestellt, um für einen Magnetfeld-Rückflußweg zu sorgen. Das Gehäuse 10 ist mit einer zylindrischen Bohrung 12 für die Aufnahme einer rollenförmigen Spulenwicklung 14 darin hergestellt. Die Enden des elektrischen Leiters, welcher die Spulenwicklung 14 bildet, werden durch einen internen Schaltkreis 18 geleitet, der innerhalb von Gehäuse 10 gebildet wird. Eine mit Innengewinde versehene Öffnung 20 ist in Verbindung mit dem Leiter 18 ausgebildet, um für einen Zugang zu den Enden des Spulenwicklungsleiters zu sorgen. Eine Verkapselung 22 kann leicht und wirtschaftlich an dem Gehäuse 10 zum Kapseln der Spulenwicklung 14 und um sie unzugänglich gegen ein Durchstechen oder eine andere Beschädigung zu machen, befestigt werden, wodurch man jegliche Entzündung aufnimmt und den Wandler explosionssicher macht.
Ein Permanentmagnet 24 mit einer außerordentlich großen Feldintensität ist mit Hilfe eines Arms 30 bezogen auf das Gehäuse 10 so montiert, daß er um einen flexiblen Teil von Arm 30, der eine Achse 26 definiert, geschwenkt werden kann. Daruberhinaus ist der Permanentmagnet 24 in der Richtung eines Vektorpfeils 28 so magnetisiert, daß er einen querfeldpolarisierten Permanentmagneten definiert. Wenn die Magnetisierung in der angegebenen Richtung erfolgt ist, dann erzeugt ein Strom, der an die Spulenwicklung 14 angelegt wird, ein Magnetfeld, welches den Permanentmagneten 24 so beeinflußt, daß er eine Tendenz zum Rotieren oder Schwenken zeigt. Vorzugsweise ist der Magnet 24 sehr dicht bei der Spulenwicklung montiert und schwenkt folglich um viel weniger als um 10º und sogar noch weniger als 1º. In Abhängigkeit von der Polarität des an die Spulenwicklung 14 angelegten Stroms tendiert der Permanentmagnet 24 dazu, sich entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen.
Ein Arm 30, der ein mechanisches Ausgangssignal des Wandlers liefert, ist an dem Gehäuse 10 befestigt und wird speziell an der Verkapselung 22 der Wicklungsspule befestigt gezeigt. Der Arm 30 ist aus einem Material hergestellt, welches aus den nachstehend spezifizierten Gründen gebogen werden kann. Der Arm 30 ist an dem Permanentmagneten 24 so angeklebt, anzementiert oder in anderer Weise befestigt, daß er als Reaktion auf die Bewegung des Magneten 24 um Achse 26 herum beweglich ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Arm 30 eine Verlängerung 32, welche mit einer Düse 34 zusammenwirkt, um eine Änderung beim Gasdruck entsprechend einer Änderung bei der Stärke des Stroms durch die Spulenwicklung 14 zu verursachen. Die Düse 34 ist von konventioneller Konstruktion für ein Zusammenwirken mit der Armverlängerung 32, um eine Änderung bei dem Druck des Gases innerhalb der unter Druck stehenden Leitung 36 zu verursachen. Wie es konventionell der Fall ist, wird dann, wenn sich die Armverlängerung oder der Verschluß 32 dichter zu der Öffnung in der Düse 34 hin bewegt, der Druck am Auslaß 33 als Folge des Akkumulierens des Gasstroms vom Zuleitungsende 35 durch Drosselstelle 31 erhöht. Umgekehrt nimmt, wenn sich der Verschluß 32 von der Öffnung der Düse 34 weg bewegt, der Gasdruck am Auslaßende 33 ab. Folglich kann eine Änderung beim Druck innerhalb der Gasleitung 36 erzielt werden. Der von Leitung 36 geleitete Luftdruck kann benutzt werden, um ein Prozeß- Steuerungsventil oder ein anderes Gerät als Reaktion auf einen Steuerstrom, der mit dem Wandler gekoppelt ist, zu steuern.
Die Umwandlung des elektrischen Stroms in einen spezifizierten Gasdruck in der Leitung 36 wird dadurch ausgeführt, daß die Spulenwicklung 14 mit einem vorbestimmten Gleichstrom getrieben wird. Ein Magnetfeld von entsprechender Größe wird durch jede Windung von Spule 14 erzeugt, wodurch der Permanentmagnet 24 beeinflußt und ein Moment darauf ausgeübt wird. Der Permanentmagnet 24, welcher entsprechend dem Vektorpfeil 28 magnetisiert ist, wird sich je nach der Polarität des Stroms entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn um Achse 26 drehen. Wenn der Permanentmagnet 24, welcher an dem Arm 30 befestigt ist, gedreht oder geschwenkt wird, dann verursacht er ein entsprechendes Moment der Armverlängerung 32. Wenn Strom in die Spulenwicklung 14 in einer Richtung hinein getrieben wird, dann wird sich die Armverlängerung 32 dichter zur Öffnung der Düse 34 hin bewegen und dadurch die Öffnung schließen und den Druck innerhalb der Druckgasleitung 36 erhöhen. Andererseits wird durch Treiben eines Stroms der anderen Richtung in der Spulenwicklung 14 die Armverlängerung 32 in einer entgegengesetzten Richtung bewegt, worauf die Düse 34 geöffnet und der Gasdruck innerhalb der Leitung 36 herabgesetzt wird.
In Übereinstimmung mit einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung ist der Permanentmagnet 24 aus einer Materialzusammensetzung hergestellt, welche aus Neodym-Eisen-Bor besteht. Der Permanentmagnet mit einer solchen Zusammensetzung ist bei Hitachi Magnetics Corporation, Edmore, Michigan unter der Handelsmarke HICOREX-Nd erhältlich. Solche Magnete sind mit außerordentlich hohen Magnetfeldstärken von ungefähr 30.000.000 Gauß-Oersted erhältlich. Die Magneten sind zu vernünftigen Kosten erhältlich und werden nicht durch einen physikalischen Impuls oder Stoß beeinflußt, wie die meisten Alnico-Magneten. Wichtig ist, daß das Gewicht solcher Typen von Permanentmagneten geringer als das von Spulenwicklungen ist, welche aus Kupferleitern gebildet werden und es folglich vorteilhaft wird, den leichten Permanentmagneten 24 und nicht die Spulenwicklung 14 für eine Bewegung zu montieren. Der aus Neodym-Eisen-Bor hergestellte Magnet wiegt ungefähr 7,5 g/cm³, er wird folglich kompakt und hat eine charakteristische geringe Trägheit. Wie eingeschätzt werden kann, ist das Trägheitsmoment eines massiven Magneten kleiner als das einer sich bewegenden Spule, und folglich reagiert der Magnet 24 besser auf schnelle Änderungen beim Magnetfeld der Spulenwicklung 14. Die Spulenwicklung 14 kann mit einer gewünschten Anzahl von Windungen eines dünnen Drahtes gewickelt werden, um eine gewählte Kombination aus Magnetfeld und Spulenwiderstand zu bilden. Wenn ein solcher Strom-Druck-Wandler bei den Geräten einer Kohlenwasserstoff-Raffinerie verwendet wird, dann sollte die Spulenwicklung einen Widerstand von nicht mehr als 200 Ohm haben. Die Standards, die für die Raffinerieumgebung festgelegt worden sind, schreiben vor, daß Steuerströme innerhalb von 4 - 20 Milliampere liegen sollten. Mit einem massiven Kupferdraht vom Lehrenmaß 38 kann die Spule mit einer bedeutenden Anzahl von Windungen gewickelt werden, um ein Magnetfeld zu erreichen, welches ausreicht, um ein Drehen des Permanentmagneten 24 zu verursachen.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Wandlers, welcher schwenkbar um eine Achse montiert ist, die durch den Massenschwerpunkt des Magneten hindurchgeht. Ähnliche Elemente sind entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Wandler beziffert. Der Permanentmagnet 24 hat einen Achsstab 38, der für eine Drehung um eine horizontale Achse daran befestigt ist oder durch denselben hindurchgeht. Die Drehachse des Magneten liegt senkrecht zu der Magnetisierung des Permanentmagneten 24, wie durch Vektorpfeil 28 gezeigt. Die Spulenwicklung 14 ist aus zwei Teilen 14a und 14b zur Unterbringung des Achsstabes 38 hergestellt. Die Spulenwicklungen werden generell in rechteckiger Form gezeigt, wie sie erscheinen würden, nachdem sie um einen rechteckigen Spulenkörper gewunden worden sind. Für andere Anwendungen oder Zwecke könnten andere Formen der Spulenwicklung besser geeignet sein. Wenn eine Gleichspannung an die Spulenwicklungen 14a und 14b angelegt wird, dann wird ein Moment auf den Permantmagneten 24 aufgebracht, welches eine Schwenkbewegung um den Achsstab 38 verursacht, wie durch Pfeil 39 gezeigt. Wenn sich der Permanentmagnet 24 dreht, dann dreht sich auch der Verschlußarm 30, welcher daran befestigt ist. Die Bewegung des Verschlußarmes 30 verursacht eine entsprechende Änderung beim Druck einer Gasleitung in der Art und Weise, wie sie vorstehend bei dem Wandler von Fig. 1 angegeben worden ist.
Jetzt wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 dort ein Teil des Wandlers von elektrischer in mechanische Energie veranschaulicht, welcher entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist. Abgebildet ist ein Wandlerkörper 40, der aus kaltgewalztem Stahl 1018 hergestellt ist und eine Bohrung oder einen Hohlraum 42 für die Aufnahme einer Spulenwicklung 44 hat. Der Stahlkörper 40 funktioniert als Rücklaufweg für den Fluß des Magnetfeldes, das durch die Spulenwicklung 44 erzeugt worden ist und für das Flußfeld von Magnet 64. Die Spulenwicklung 44 ist um einen schweren Spulenkörper 46 herum gewickelt, welcher aus einem leitfähigen, aber nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt ist. So, wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff nichtmagnetisch ein Material, welches eine niedrige Permeabilität gegenüber einen Magnetfluß hat. Der Spulenkörper 46 hat eine zylindrische Form und hat einen äußeren ringförmigen Kanal 48, in welchem der Leiter der Spulenwicklung 44 gewickelt ist. Der Spulenkörper 46 hat einen Kanal 50, um dadurch die Lötfahnenenden 51 des Leiters der Spulenwicklung zu führen. Der Wandlerkörper 40 hat weiterhin eine Kammer 52, welche in Verbindung mit einer mit Innengewinde versehenen Bohrung 53 ausgebildet ist, welche für einen Zugang von außen zu den Leiterenden der Spulenwicklung sorgt. Die Kammer 52 sorgt für ausreichend Raum innerhalb des explosionssicheren Wandlerkörpers 40 für das Anschließen oder Anspleißen stärkerer Drähte 54, so daß der Wandler ferngesteuert werden kann. Die Kammer 52 kann verdrillte Spleißsteckverbindungen oder andere Teile, wie beispielsweise Dioden 55 für ein Reduzieren der Einschwingspannungen über die Spulenwicklung 44 aufnehmen.
Bei der Herstellung des Wandlers dieser Erfindung wird der Spulenkörper 46 mit einem dünnen Draht mit einer vorbestimmten Anzahl von Windungen bewickelt. Der Spulenkörper 46 wird vorzugsweise mit ungefähr 1100 Windungen eines massiven Kupferdrahtes vom Lehrenmaß 38 bewickelt. Die Anzahl der Windungen und das Lehrenmaß können geändert werden, um für andere Feldstärken zur Beeinflussung des Permanentmagneten 56 zu sorgen. Die Lötösen- Leiterenden 51 werden dann innerhalb des Kanals 50 zusammengestellt, und es werden alle anderen notwendigen Anschlüsse daran hergestellt, und dann wird die Spuleneinheit mit Preßpassung in die Bohrung 42 des Wandlerkörpers 40 eingesetzt. Die stärkeren Drähte 54 werden natürlich durch die mit Innengewinde versehene Bohrung 53 des Körpers 40 geführt, um für einen Zugang dazu von außen zu sorgen. Das äußere Durchmessermaß des Spulenkörpers 46 ist so hergestellt, daß er innerhalb der Bohrung 42 des Wandlergehäuses 40 mit Preßpassung eingesetzt werden kann. Bei einer solchen Anordnung ist die Spulenwicklung 44 vollkommen gekapselt und folglich nicht gegenüber einem Durchbohren von außenliegenden Gegenständen empfindlich. Jede interne Explosion, welche durch Funkenbildung der Spulenwicklungsleiter auftreten könnte, wird innerhalb des Wandlers gehalten. Die angegebene Bauweise wird dadurch insofern als explosionssicher angesehen, als eine Explosion, die durch Entzündung von Gasen innerhalb der Kammer 52 verursacht wird, welche durch Lichtbogenbildung der Spulenwicklung verursacht wird, eingeschlossen bleibt, welche anderenfalls das Entzünden explosiver Gase in der Umgebung um den Wandler herum verursachen könnte. Eine Verschweißung kann entlang der inneren ringförmigen Kante da vorgenommen werden, wo die Außenkante des Spulenkörpers 46 an die innere Bohrung 42 des Wandlergehäuses 40 stößt. Eine gasdichte Verbindung der Metalle kann zwischen dem Wicklungs-Spulenkörper 46 und dem Wandlerkörper 40 durch Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißung hergestellt werden. Natürlich können auch Rohranschlüsse mit Außengewinde an der mit Gewinde versehenen Bohrung 53 des Körpers 40 vorgenommen werden, um für einen gasdichten Kanal für die Durchführung der Leiter 54 zu einem entferntliegenden elektrischen Gerät für die Steuerung der Stärke des Stroms in der Spulenwicklung 44 zu sorgen. Es kann eingeschätzt werden, daß der Wandler der Erfindung durch Herstellung mit einem beweglichen Permanentmagneten und einer feststehenden Spulenwicklung das stromführende Bauteil leichter innerhalb einer gasdichten Umhüllung gekapselt werden kann, um die Einheit explosionssicher zu machen.
An der Oberseite des Permanentmagneten 56 mit hoher Magnetfeldstärke ist ein seitlicher Teil 58 eines nichtmagnetischen Jochs für ein Schwenken des Magneten 56 um eine horizontale Achse 60 befestigt. Die Achse 60 ist generell symmetrisch bezogen auf den Schwerpunkt des Permanentmagneten 56 zentriert. Der seitliche Teil 58 des Jochs ist ausreichend verstärkt, um ein Verdrillen des Jochs zu verhüten, wenn verursacht wird, daß sich der Permanentmagnet 56 dreht. Die Torsionsbewegung des Permanentmagneten 56 wird dadurch verlustlos auf alle Teile des Jochs übertragen.
Der seitliche Teil 58 des Jochs wird vorzugsweise an dem oberen Teil des Magneten 56 mit Hilfe eines Klebstoffs oder eines anderen geeigneten Haftmittels befestigt. Meßspanneneinstellungen können bei dem Wandler durch eine Konstruktion vorgenommen werden, welche nachstehend detailliert beschrieben werden.
Der Permanentmagnet ist stabförmig und ist durch den seitlichen Teil 58 des Jochs axial fluchtend mit einer vertikalen Achse 62 aufgehängt, um welche die Spulenwicklung 44 zentriert ist. Wie weiter vorn vermerkt, können auch andere Spulen- oder Magnetformen, wie beispielsweise rechteckig oder quadratisch, mit gleicher Effektivität zur Verwendung kommen. Der Durchmesser des Permanentmagneten 56 beträgt 0,62 Zoll bei einer Höhe von ungefähr 0,28 Zoll. Der ringförmige Abstand zwischen dem Permanentmagneten 56 und dem Spulenwicklungskörper 46 beträgt ungefähr 1/64 Zoll. Whrend der angegebene Abstand klein ist, gibt es ausreichend Raum, damit der Permanentmagnet 56 ausreichend um die seitliche Achse 60 schwenken kann. Wie stärker detailliert im Nachstehenden beschrieben wird, wird die geringe Schwenkbewegung des Permanentmagneten 56 und folglich die des seitlichen Teils des Jochs, durch einen Hebelarm verstärkt, welcher als Verschlußklappe wirkt. Der Permanentmagnet 56 ist bei Hitachi Magnetics in kreuzpolarisierter Form erhältlich, so, wie dies durch Vektorpfeil 64 angegeben ist. Wie vorstehend vermerkt, erzeugt ein in der Spulenwicklung 44 induzierter Strom ein Magnetfeld, welches so funktioniert, daß es mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten 56 zusammenwirkt und dadurch den Magneten um die horizontale Achse 60 dreht. Der Permanentmagnet 56 kann ein Moment von ungefähr 0,015 Zoll-lb erzeugen. Außerdem ist das von dem Magneten 56 erzeugte Moment linear proportional dem Strom in der Spulenwicklung 44.
Wie ebenfalls vorstehend vermerkt, ist der Spulenwicklungskörper 46 aus einem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Messing oder Kupfer, hergestellt. Vorzugsweise wird der Spulenkörper 46 aus dickem Kupfer hergestellt, um für ein Material mit hoher Leitfähigkeit zu sorgen. In Übereinstimmung mit einem bedeutsamen Aspekt der Erfindung macht der leitende, aber nicht magnetische Spulenkörper 46 den Wandler weniger empfindlich gegenüber einem Steuermodulationsfehler als Folge von Schwingungen. Es kann eingeschätzt werden, daß jede Schwingungsbewegung des Magneten 56, die durch Bewegungen des Wandlers selbst hervorgerufen werden, in eine entsprechende Bewegung des dazugehörigen Arms umgesetzt werden. Dies erzeugt eine unerwünschte Modulation des Wandler-Ausgangssignals. Jede Schwingung, welche eine Tendenz hat, den Permanentmagneten 56 bezogen auf den Spulenwicklungskörper 46 zu bewegen, induziert auch Wirbelströme innerhalb des Spulenkörpers 46. Die kleinen Wirbelströme, welche innerhalb des Spulenkörpers 46 durch die Bewegung des Magneten 56 induziert werden, erzeugen ein gegenmagnetomotorisches Magnet-Kraftfeld, welches seinerseits dem Magnetfeld des Magneten entgegenwirkt und folglich die Bewegung des Magneten 56 verschiebt. Diese induzierten Wirbelströme sorgen dadurch für einen automatischen Widerstand gegen die Schwingungsbewegung des Permanentmagneten. Folglich wird für eine automatische Dämpfung des Permanentmagneten 56 gesorgt, um die Wirkung von Schwingungen zu reduzieren, denen der Wandler ausgesetzt sein könnte, alles ohne zusätzliche, komplizierte oder außergewöhnliche Schaltungen oder Geräte. Der Spulenkörper 46 funktioniert im wesentlichen als eine oder mehrere kurzgeschlossene Windungen. Äquivalente Konstruktionen als solche können dadurch gebildet werden, daß man einen nichtleitenden Spulenkörper mit einer oder mehreren kurzgeschlossenen Windungen eines Leiters bewickelt.
Der Spulenwicklungskörper 46 wird vorzugsweise aus einem sauerstoff-freien Kupfer hoher Leitfähigkeit (OFHC-Kupfer) hergestellt, und hat einen Innendurchmesser von ungefähr 0,67 Zoll. Der Außendurchmesser des Spulenkörpers 46 beträgt ungefähr 1,36 Zoll und ist mit Preßpassung in die Bohrung 42 des Wandlerkörpers 40 einsetzbar. Der äußere ringförmige Spulenkörperkanal, um welchen der Leiter der Spulenwicklung 44 gewickelt wird, hat eine Querschnittsabmessung von ungefähr 0,28 Zoll mal ungefähr 0,37 Zoll.
Jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 wird dort stärker detailliert die Jochkonstruktion 66 für ein schwenkbares Aufhängen des Permanentmagneten 56 innerhalb der Spulenwicklung 44 gezeigt. Wie vermerkt, hat das Joch 66 einen seitlichen Teil 58 für das Anbringen an dem Permanentmagneten 56. Desgleichen ist der seitliche Teil 68 mit gegenüberliegenden Seitenverlängerungen 68 versehen, um für eine größere Oberfläche für das Festhalten der Oberseite des Permanentmagneten 56 zu sorgen. Untrennbar mit dem seitlichen Teil 58 des Jochs 66 sind nach unten herabhängende Auflager 70 und 72 ausgebildet. Die beiden nach unten herabhängenden Auflager 70 und 72 und die dazugehörigen Lager sind in im wesentlichen identischer Art und Weise aufgebaut.
Ein vertikaler Teil 74 von Auflager 70 hat einen vertikalen Schlitz 76, während ein horizontaler Teil 78 von Auflager 70 einen horizontalen Schlitz 80 hat. Die Schlitze 76 und 80 sind für eine darin erfolgende Aufnahme entsprechender Enden von flexiblen Streifen 82 und 84 angepaßt. Das andere Ende der flexiblen Streifen 82 und 84 ist an dem Wandlerkörper 40 mit Hilfe von Befestigungsblöcken 86 und 88 verankert. Die Befestigungsblöcke 86 und 88 funktionieren, um die Enden der flexiblen Streifen 82 und 84 an dem Wandlerkörper 40 mit Hilfe entsprechender Schrauben 90 und 92 zu befestigen, die durch die Blöcke und durch Bohrungen in den flexiblen Streifen 82 und 84 hindurchgehen und innerhalb des Körpers 40 befestigt werden. Wenn sie in der vermerkten Art und Weise befestigt sind, dann definieren die flexiblen Streifen 82 und 84 ein reibungsfreies Lager, um eine Drehung nur um eine horizontae Achse 60 zuzulassen. Die Biegstreifenlager sorgen für fast keinerlei seitliche Bewegung und halten dadurch den Permanentmagneten 56 exakt und genau um seinen Schwerpunkt innerhalb einer engen Toleranz innerhalb des Spulenwicklungskörpers 46 aufgehängt.
Wegen der geringen Entfernung des Magneten 56 von dem Spulenwicklungskörper 46, d.h. 1/64 Zoll, muß der Magnet 56 genau innerhalb des Spulenkörpers 46 angeordnet und geschwenkt werden. Größere Abstände als 1/64 Zoll sind möglich, aber zu Lasten einer reduzierten magnetischen Koppelung zwischen dem Permanentmagneten 56 und der Wicklungsspule 46. Es wird verhütet, daß sich das Joch 66 und der Permanentmagnet 56 sowohl radial in irgendeiner Richtung um die horizontale Achse 60, als auch axial entlang der vertikalen Achse 62 bewegt. Der Permanentmagnet 56 ist deshalb für eine genaue Schwenkbewegung innerhalb der Spulenwicklung 44 eingespannt. Die Begriffe vertikal und horizontal werden hierin nur zum Zweck einer leichteren Bezugnahme auf die und eines leichteren Verstehens der Zeichnungen verwendet und sind nicht als Einschränkungen der Erfindung auszulegen. Natürlich kann der Wandler der Erfindung für ein Betreiben in jeder beliebigen räumlichen Orientierung montiert werden.
Die Enden der flexiblen Streifen 82 und 84 sind innerhalb der entsprechenden Schlitze 76 und 80 des nach unten herabhängenden Auflagers 70 eingeklebt. Öffnungen, wie beispielsweise 96, sind in dem Auflager vorgesehen, so daß das Haft- oder Klebemittel in solche Öffnungen eintreten und für eine verbesserte Befestigung der Streifenenden darin sorgen kann.
Die flexiblen Streifen 82 und 84 sind vorzugsweise aus Berylliumkupfer hergestellt, um für die gewünschte Biegsamkeit zu sorgen, so daß das Joch 66 um die horizontale Achse 60 drehbar ist. Zusätzlich sind die Schlitze 76 und 80 in dem nach unten herabhängenden Auflager 70 an einer solchen Stelle ausgebildet, daß die Achse 60, welche durch das Kreuzen der flexiblen Streifen gebildet wird, mit dem axialen Mittelpunkt des in Fig. 2 gezeigten Permanentmagneten zusammenfällt. Der durch die erregte Spulenwicklung 44 erzeugte magnetische Einfluß schwenkt folglich den Permanentmagneten 56 um die horizontale Jochachse 60 und folglich auch um die seitliche Schwerpunktachse des Permanentmagneten. Wie vorstehend vermerkt, ist das andere nach unten herabhängende Auflager 72 des Jochs 66 schwenkbar an der anderen Seite des Wandlerkörpers 40 durch ähnliche Strukturen aus flexiblen Streifen verankert.
Ein seitlicher starrer Arm 98 ist an dem unteren Ende des nach unten herabhängenden Auflagers 70 für die Lieferung eines mechanischen Ausgangssignals des Wandlers ausgebildet. Das Ende des starren Arms 98 ist mit einem nach innen gebogenen Abschnitt 100 für das Eingreifen einer Unterseite des Endes des ebenen Federarms 108 konstruiert. Der Federarm 108 hat einen Abstand von der Düsenöffnung um eine vorbestimmte Entfernung, wenn das Joch 66 und der dazugehörige Permanentmagnet 56 in Ruhestellung sind. Während dies nicht gezeigt wird, steht die Öffnung der Düse in Strömungsverbindung mit dem Gasstrom 104 über Verbindungskanäle in dem Wandlerkörper 40 und dem daran befestigten Block 106. Der Federarm 108 ist gegen den starren Arm 98 vorgespannt Der Federarm 108 ist aus demselben Material hergestellt, wie die flexiblen Streifen 82 und 84 und ist an dem Auflagerteil 78 mit Hilfe eines Klebers oder eines anderen Haftmittels oder durch geeignete Befestigungs-Eisenteile befestigt. Der Federarm 108 hat einen winkligen Abschnitt 110, der über seine Länge ausgebildet ist, um für eine Steifigkeit desselben zu sorgen, so daß der Federarm 108 einem Biegen widersteht, wenn er einem unter Druck stehenden Gasstrom ausgesetzt wird, der aus einer Öffnung in der Oberseite der Düse 102 austritt. Ein kurzer Abschnitt 112 des Federarms 108 ist nicht auf diese Weise verstärkt und sorgt folglich für einen gewissen Grad an Biegsamkeit, wenn der Federarm 108 zur Anlage an der Düse 102 gedrückt wird.
Die Unterseite des Wandlerkörpers 40 und die Oberseite des Blocks 106 werden auf eine gasdichte Oberflächengüte bearbeitet und an den Ecken durch solche Schrauben zusammengehalten, wie sie durch Bezugszahl 116 angegeben sind. Der Block 106 ist von konventioneller Gestaltung und hat eine Bohrung 104, welche sich durch denselben erstreckt und an jedem Ende für eine Verbindung mit anderen Verbindungsrohren mit Innengewinde versehen ist. Eine Gasquelle mit konstantem Druck ist mit einer Einlaßseite der Bohrung 104 verbunden, während man den eingestellten oder gesteuerten Gasdruck von einer Ausgangsseite des Blocks erhält. Wie beschrieben, ist die Öffnung der Düse 102 intern mit einer solchen Bohrung verbunden. Es ist auch eine Drossel 118 vorgesehen, um die Gaszufuhr zu drosseln.
Fig. 5 veranschaulicht im weiteren Detail den unteren Teil des nach unten herabhängenden Auflagers 70 des Jochs 66. Wie man sehen kann, nimmt der vertikale Schlitz 76 den vertikalen flexiblen Streifen 82 auf, während der horizontale Schlitz 80 den horizontalen flexiblen Streifen 84 aufnimmt. Wenn die Enden der flexiblen Streifen 82 und 84 an dem nach unten herabhängenden Auflager 70 in der vermerkten Art und Weise befestigt sind, dann ist das Joch 66 für eine Drehung um Achse 60 gelagert und eingespannt. Die Drehung des Jochs 66 um die horizontale Achse 60 bewirkt die entsprechende Bewegung des Federarms 108 und liefert dadurch ein mechanisches Ausgangssignal des Wandlers. Die Größe der mechanischen Bewegung, die von dem Wandler auf Basis des Grades der Schwenkbewegung des Permanentmagneten 56 gewünscht wird, kann entsprechend der Länge des Federarms 108 eingestellt werden. Für eine spezifizierte Winkeldrehung des Permanentmagneten 56 und folglich des Jochs 66 kann man einen größeren Bereich einer mechanischen Bewegung durch einen langen Federarm 108 erreichen und umgekehrt. Desgleichen braucht der Federarm 108 nicht wie gezeigt gestaltet zu sein, sondern kann auch eine Membran oder eine andere Oberfläche sein, welche mit der Düsenöffnung zusammenwirkt, um den Druck, der von der Düse freigegeben wird, zu steuern.
Wie vorstehend vermerkt, ist der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 56 und dem Spulenwicklungskörper 46 sehr gering, 1/64 Zoll, um für eine enge Koppelung des magnetischen Einflusses zwischen dem Permanentmagneten 56 und der Spulenwicklung 44 zu sorgen. Bei einem solchen geringen Abstand ist der Grad einer Schwenkbewegung des Magneten außerordentlich klein, doch wird er durch die Länge des Federarms 108 vervielfacht. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der horizontalen Achse 60 und der Öffnung der Düse 104 ungefähr 0,78 Zoll. Durch Erregen der Spulenwicklung mit einem elektrischen Strom zwischen 4 und 20 Milliampere kann bewirkt werden, daß der Federarm 108 sich in dem Bereich von 0,001 - 0,003 Zoll bewegt, um für eine entsprechende Druckänderung des Gases innerhalb der Bohrung 104 zwischen 3 - 15 psig zu sorgen. Wie man einschätzen kann, bewegt sich der Federarm 108 nur sehr wenig, um eine nennenswerte Änderung bei dem Gasdruck in der Bohrung 104 zu erzeugen. Es ist zu beachten, daß die vorstehenden Ergebnisse unter Verwendung einer Düse 102 erreicht sind, welche einen Öffnungsdurchmesser von ungefähr 0,040 Zoll hat.
Während die verschiedenen Parameter des Wandlers der Erfindung so gewählt worden sind, daß sie für die Gasdrucksteuerung sorgen, welche normalerweise in Kohlenwasserstoff-Raffinerien zur Anwendung kommt, können solche Parameter und Vorrichtungen so modifiziert werden, daß der Wandler auch bei vielen anderen Anwendungen genutzt werden kann. Beispielsweise kann der Strom, welcher der Spulenwicklung 44 zugeführt wird, erhöht werden, um das Moment, welches durch den Permanentmagneten 56 erzeugt wird, zu erhöhen, wobei man sich erinnern sollte, daß das Moment linear proportional dem Strom ist. Der Materialtyp, welcher für die Verwendung bei den flexiblen Streifen 82 und 84 gewählt wird, kann auch so gewählt werden, daß für einen gewissen Grad an Widerstand gegen die Schwenkbewegung des Permanentmagneten 56 gesorgt wird. Wie ebenfalls vermerkt, kann die Länge des Federarms 108 verändert oder eingestellt werden, um einen gewünschten Bereich des mechanischen Bewegungs-Ausgangssignals von dem Wandler zu erreichen. Wichtig ist, daß der Wandler 56 mit einer gewissen magnetischen Feldstärke gewählt werden kann, so daß die Kraft oder das Moment der Schwenkbewegung desselben auf der Basis der Windungen der Wicklung und der Stromführungseigenschaften der Spulenwicklung 44 ausreichend groß ist. Wenn die Spulenwicklung 44 feststehend ist, dann kann sie aus sehr starkem Draht und auf einer dicken Spule gewickelt werden, um für einen höheren Dämpfungsgrad bei dem Wandler zu sorgen. Vorzugsweise ist die Magnet-Feldstärke des Permanentmagneten 56 maximal, so daß dadurch ein kleineres Magnetfeld erforderlich ist, das durch die Spulenwicklung 44 erzeugt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein leichter Permanentmagnet mit einer Zusammensetzung aus Neodym-Eisen-Bor in der Lage, eine extrem hohe Magnet-Feldstärke zu erzeugen, während trotzdem der Magnet eine Größe hat, die für die Verwendung bei der Anwendung in Wandlern geeignet ist. Dadurch, daß eine geringe Schwenkbewegung eines Magneten genutzt wird, wird das Trägheitsmoment gering gehalten, wodurch für einen Wandler gesorgt wird, welcher auf sich schnell ändernde Spulenströme ansprechen kann. Während der in Fig. 4 gezeigte Wandler die Hauptbestandteile zur Veranschaulichung der Prinzipien und Konzepte der Erfindung zeigt, werden generell andere Bauteile erforderlich, um für eine angemessene Eichung, Linearität, Nullstellung und Aufrechterhalten der funktionellen Kennwerte des Wandlers zu sorgen.
Der in Fig. 4 gezeigte Wandler kann leicht für eine doppelte Steuerung von Drücken durch eine einzige Stromeingabe angepaßt werden. Beispielsweise kann das nach unten herabhängende Auflager 72 auch mit einer Konstruktion aus Arm und Federelement ähnlich derjenigen ausgestattet sein, die an dem gegenüberliegenden Auflager 70 angebracht und für eine Funktion in Verbindung mit einer anderen Düse angepaßt ist. Eine solche andere Armkonstruktion kann in einer Richtung entgegengesetzt zu der des starren Arms 98 orientiert sein, um für eine inverse Steuerung bezüglich eines anderen Gasdrucks zu sorgen. Mit anderen Worten, der Wandler 106 kann modifiziert werden, um eine andere Bohrung und dazugehörige Düse zu versorgen, deren Druck durch die Bewegung eines Arms gesteuert wird, welcher mit dem nach unten herabhängenden Auflager 72 verbunden ist. Bei einer solchen Anordnung wird, wenn ein Strom an die Spulenwicklung 44 über Leiter 54 angelegt wird, das Joch 66 sich in einer dazugehörigen Richtung drehen und dadurch die Armstrukturen in entgegengesetzten Richtungen bezogen auf ihre entsprechenden Düsen bewegen. Ein Arm wird sich dichter zu seiner dazugehörigen Düse hin bewegen, während sich der andere Arm von seiner Düse weg bewegen wird, wodurch für eine inverse Steuerung der entsprechenden Gasdrücke gesorgt wird. Als Alternative können die Doppelarme des Wandlers in derselben Richtung orientiert sein, um für eine gemeinsame Steuerung von Gasdrücken in einem Paar Bohrungen innerhalb des Blocks 106 zu sorgen, welche beide durch die Schwenkbewegung des Permanentmagneten 56 und des Jochs 66 ansteigen oder absinken. Es stehen noch weitere Wahlmöglichkeiten bei der angeführten Wandlerkonstruktion zur Verfügung. Beispielsweise kann der Wandler unter Verwendung identischer Teile zusammengebaut, aber mit einem Arm entweder an der Jochauflage 70 oder 72 ausgestattet werden, um für Wandler mit entgegengesetzten Einstell- oder Steuer-Kennwerten zu sorgen. Bei einer solchen vielseitigen Konstruktion können dieselben Teile benutzt werden, um für einen Wandler zu sorgen, welcher einen Ausgangsgasdruck mit zunehmendem Spulenwicklungsstrom erhöht oder für einen, welcher einen Ausgangs-Gasdruck erniedrigt, ebenfalls bei einem ansteigenden Spulenwicklungsstrom.
Ein Wandler von elektrischer in mechanische Energie, wie beispielsweise derjenige, welcher entsprechend der Erfindung hergestellt worden ist, erfordert keine externen Rückkoppelungs-Vorkehrungen für das Aufrechterhalten eines gewünschten Gasdrucks auf Basis eines vordefinierten Eingangsstroms. Desgleichen folgt, weil das Moment des Permanentmagneten 56 und folglich das des Federarmes 208 proportional dem Strom in der Spulenwicklung 44 ist, die Bewegung des Federarms 108 in linearer Weise Änderungen beim Strom in der Spulenwicklung. Desgleichen ist die Kraft, welche durch das Düsengas auf das Federelement 108 ausgeübt wird, proportional dem Produkt aus dem Gasdruck und der Fläche der Düsenöffnung. Im Zustand eines funktionellen Gleichgewichtes steht das Moment des Federarms 108 in Gleichgewicht mit der Kraft, welche darauf durch das Gas ausgeübt wird, welches aus der Düsenöffnung austritt. Jeder Fehler oder jedes Ungleichgewicht bewirkt, daß sich die Düse öffnet oder schließt, wodurch die Kraft solange geändert wird, bis sie wieder im Gleichgewicht mit dem Moment von Federarm 108 ist. Durch ein entsprechendes Eichen des Abstandes des Federarms 108 bezogen auf die Öffnung der Düse 102 wenn der Permanentmagnet 56 sich in Ruhestellung befindet, kann man gewünschte Gasdrücke in der Bohrung 104 dadurch erreichen, daß man die Spulenwicklung 44 mit einem vorbestimmten Gleichspannungsspegel treibt.
Wie vorstehend vermerkt, wird für eine Eigen-Rückkoppelung gesorgt, ohne, daß zusätzliche Schaltkreise oder Hardware erforderlich sind, welche dazu dient, die Linearität des Wandlers zu verbessern. So bewegt sich, wenn der Strom, welcher der Spulenwicklung 44 zugeführt wird, ansteigt, um das Moment zu vergrößern, der Federarm 108 im Sinn des Uhrzeigers in Fig. 4 bis es ein Gleichgewicht mit der nach oben gerichteten Gasdruckkraft gibt, welche der nach unten gerichteten Bewegung des Federarms entgegenwirkt. Das Ergebnis ist, daß sich der Federarm 108 näher zu der Öffnung der Düse 102 hin bewegt. Gasdruck, welcher aus der Öffnung der Düse 102 entweicht, wird gedrosselt, wodurch der Gasdruck in der Bohrung 104 ansteigt. Durch diese Handlung steigt der Gasdruck, welcher aus der Öffnung der Düse 102 austritt, ebenfalls an, wodurch für eine zusätzliche Kraft, die einer weiteren Abwärtsbewegung des Federarms 102 entgegenwirkt, gesorgt wird. Ein Ruhezustand wird erreicht, in welchem die Kraft des Drucks der Düsenöffnung im Gleichgewicht mit dem Drehmoment des Federarmes 108 steht, das auf diesen durch den Permanentmagneten 56 aufgebracht wird. Wie man einschätzen kann, sorgt das Zusammenwirken der Eigen-Rückkoppelung und dem beweglichen Permanentmagneten des Wandlers für ausreichend Rückkoppelung, um für einen stabilen Wandler zu sorgen, alles ohne zusätzliche Schaltkreise oder Geräte.
Während die Eigenrückkopplung für Anwendungen bei kleinem Druck ausreichend sein mag, könnten andere externe Geräte erforderlich sein, um einen Druckwandler geringer Größe an Druckleitungen großer Abmessung und dergleichen anzupassen. Beispielsweise können verschiedene Bälge, Kolben und Membranen, welche in der Technik allgemein bekannt sind, als externes Koppelungselement als eine Verstärkung erzeugende Vorrichtung zum Anpassen hoher Düsendrücke an den Wandler der Erfindung anzupassen.
Fig. 6 zeigt die Prinzipien und Konzepte des Wandlers der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Permanentmagnet hoher Energie 120, wie beispielsweise ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet, wird an einer Sattelkonstruktion 122 befestigt, welche ein Verlängerung hat, die einen Verschlußarm 124 definiert. An der Grundplatte der Sattelkonstruktion 122 ist eine Düsenbaueinheit 126 befestigt. Die Düsenbaueinheit 126 hat ein Paar nach unten herabhängende Schenkelbauteile 128 und 130, welche als zwei Teile 128a und 130a und 128b und 130b ausgebildet sind, die durch entsprechende flexible Kreuzgelenke 132 und 134 verbunden sind. Die unteren Schenkel 128b und 130b der Düsenbaueinheit werden, beispielsweise durch thermisches Verbinden, mit der Grundplatte der Sattelkonstruktion 122 verbunden. Auf diese Weise kann sich die Sattelkonstruktion 122 und der daran angebrachte Permanentmagnet 120 bezogen auf die Düsenbaueinheit 126 schwenken. Die flexiblen Streifen, welche die Lagerung des Magneten 120 bilden, sind ungefähr 0,003 Zoll dick, und es wird folglich für ein großes Teil an Flexibilität für eine Schwenkbewegung des Magneten 120 gesorgt. Spezieller gesagt, der Permanentmagnet 120 wird unter dem Einfluß eines Magnetfeldes geschwenkt, welches die Sattelkonstruktion 122 und demzufolge den Verschlußarm 124 um eine Achse schwenkt, welche durch die flexiblen Streifen 132 und 134 und durch die Mitte des Magneten 120 verläuft. Durch Drehen des Magneten 120 um eine Mittelachse durch denselben werden unerwünschte Kraftarme der Sattelkonstruktion 122 minimiert. Das Vorhandensein eines Kraftarms bezogen auf die Sattelkonstruktion 122 würde auf Schwingungen reagieren und unerwünschte Modulationen des Ausgangsdrucks erzeugen. Wie nachstehend stärker detailliert beschrieben wird, bewegt sich das Ende des Verschlußarmes 124 bezogen auf eine Düse 136, welche an einer Rahmenkonstruktion 138 der Düseneinheit 126 befestigt ist. Während der Verschlußarm 124 hierin so beschrieben wird, daß er einen Druck steuert, kann er auch für viele andere Funktionen bei vielen anderen Anwendungen benutzt werden.
Der Magnet 120 ist an einem ähnlich geformten Gegengewicht 140, das aus einem nicht-magnetischen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl (Reihe 300) oder Messing hergestellt ist, angeklebt oder in anderer Weise in geeigneter Form befestigt. Der Magnet 120 und das Gegengewicht 140 werden aus runden Scheiben, aber mit den gegenüberstehenden geraden Kanten 142 und 144 so hergestellt, daß die gebogenen Enden 146 und 147 einen Bogen von ungefähr 80º umspannen. Die entfernten Teile des Magneten von den geraden Kanten desselben beeinflussen die magnetische Feldstärke desselben nicht wesentlich, da der Magnet 120 in der durch den Pfeil 145 angezeigten Richtung kreuzpolarisiert ist. Mit anderen Worten, ein hauptsächlicher Teil der magnetischen Feldlinien tritt aus den abgerundeten Enden 146 und 147 des Magneten 120 aus und in diese ein, während nur wenig Feldlinien wegen der entfernten Teile des Magneten 120 verlorengehen. Die Konzentration des Magnetflusses an den kreisförmigen Enden 146 und 147 des Magneten 120 ist vorteilhaft, wenn sie bei der rautenförmigen Spulenwicklung verwendet wird, wie im Nachstehenden noch stärker detailliert beschrieben wird.
Maßlich ist der Magnet 120 ungefähr 0,875 Zoll zwischen den gerundeten Enden 146 und 147 und ist er ungefähr 0,562 Zoll zwischen den gegenüberliegenden geraden Seiten 142 und 144. Die Dicke des Magneten 120 beträgt ungefähr 0,187 Zoll. Das Gegengewicht 140, das aus rostfreiem Stahl bei der bevorzugten Ausführungsform hergestellt ist, hat eine Dicke, welche ausreichend ist, um den Verschlußarm 124 und den Magneten 120 um eine Achse ins Gleichgewicht zu bringen, um welche der Magnet schwenkt. Es kann eingeschätzt werden, daß das Gewicht des Gegengewichtes 140, wenn es überhaupt benötigt wird, eine Funktion der Form und des Materials, aus welchem die Sattelkonstruktion 122 hergestellt ist, der Länge des Verschlußarmes, der Größe des Magneten 120 und anderer leicht erkennbarer Faktoren ist. Tatsächlich könnte eine Gegengewichtskonstruktion an dem Verschlußarm 124 selbst erforderlich sein, um das Gewicht des Magneten 120 auszugleichen. In jedem Fall wird bevorzugt, die Sattelkonstruktion 122 und den Magneten 120 so abzugleichen, daß die Funktion des Wandlers unempfindlich gegen eine physische Orientierung ist.
Der Magnet 120 und das Gegengewicht 140 werden mit Hilfe eines Epoxidklebers oder eines anderen geeigneten Materials innerhalb eines U-förmigen Teils 148 der Sattelkonstruktion 122 verklebt. Der U-förmige Abschnitt 148 hat gegenüberliegende Ohren 150, welche eine Auflage definieren, mit welcher die unteren Schenkelteile 128b und 130b der Düseneinheit 126 verklebt werden. Wie vorstehend vermerkt, ist untrennbar mit der Sattelkonstruktion 122 der Verschlußarm 124 ausgebildet, welcher sich in Übereinstimmung mit der Schwenkbewegung des Magneten 120 bewegt. In jedem Sattelohr 150 ist eine Öffnung 152 für die Aufnahme eines Zapfens ausgebildet, welcher am unteren Ende des entsprechenden unteren Schenkelteils 128b der Düseneinheit 126 ausgebildet ist. Ausrichtung und Übereinstimmung der Wandlerteile 122 und 126 werden dadurch erleichtert. Als Alternative könnten die Wandler- Kunststoffteile 122 und 126 als ein Teil gegossen werden, jedoch zu Lasten einer Verkomplizierung der Formen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sattelkonstruktion 122 aus einem mit Glas verstärkten thermoplastischen Polyäthylenteraphtalat-Material gegossen. Kunststoffe, die für eine Verwendung bei der Erfindung geeignet sind, sind bei der General Electric Company unter dem Handelsnamen Valox oder alternativ Ultem erhältlich. Durch Verwendung eines solchen Materials lassen sich die Sattelkonstruktion 122 und die Düseneinheit 126 einfach und dadurch kosteneffektiv formen, sind leicht und erhöhen folglich die mechanische Resonanzfrequenz, sind temperaturstabil, korrosionsbeständig und nicht-magnetisch, so daß keinerlei unerwünschte Pfade für das Magnetfeld entweder des Magneten 120 oder einer Spulenwicklung geboten werden.
Die Sattelkonstruktion 122 hat weiterhin am Ende des Verschlußarmes 124 einen Haken 154 für die Befestigung einer vorspannenden Feder 156 am Ende desselben. Wie stärker detailliert nachstehend beschrieben wird, sorgt die vorspannenden Feder 156 für eine mechanische Rückkoppelung zwischen dem Verschlußarm 124 und einem (nicht gezeigten) Prozeß-Steuerventilschaft, welcher als Ergebnis der Bewegung des Magneten 120 bewegt wird. Die Länge des Verschlußarmes 124 bezogen auf den Magneten 120 wird derart gewählt, daß sich das Verschlußarmende um einen gewünschten Betrag in Übereinstimmung mit einer bestimmten Schwenkbewegung des Magneten 120 bewegt. Wie eingeschätzt werden kann, schwenkt der Magnet 120 um eine horizontale Achse, welche durch die flexiblen Streifen 132 und 134 verläuft, wobei diese Achse rechtwinklig bezogen auf den Polarisationsvektor 146 des Magneten 120 ist. Dementsprechend bewegt sich dann, wenn der Magnet 120 als Reaktion auf ein Magnetfeld, welches durch eine Spulenwicklung erzeugt wird, hin- und herbewegt oder geschwenkt wird, der Verschlußarm 124 bezogen auf eine Öffnung der Düse 136.
Die Düseneinheit 126 wird auch als untrennbare Einheit aus einem leichten und billigen Material, wie beispielsweise des vorstehend angegebenen Typs, gegossen. Als Alternative können die verschiedenen Teile der Düseneinheit 126 auch einzeln als gesonderte Teile gegossen und miteinander als untrennbare Teile verklebt werden. Die nach unten herabhängenden Schenkeleinheiten 128 und 130 werden mit einer Platte 160 gegossen oder verklebt, welche einen ausgeschnittenen Abschnitt 162 für die Unterbringung des Verschlußarmes 124 hat. Die Platte 160 hat ein Paar Öffnungen 164 für die Montage der Düseneinheit 126 bezogen auf ein (nicht gezeigtes) Gehäuse des Wandlers. Untrennbar mit der Düsenmontageplatte 160 gegossen oder daran befestigt ist ein senkrechter Rahmen 138, welcher ebenfalls eine Öffnung oder einen Einschnitt 166 hat, um darin die Düse 136 aufzunehmen. Vorzugsweise ist der Einschnitt 166 in zwei Richtungen länglich, damit man die Düse 136 vertikal oder horizontal in Deckung mit dem Verschlußarm 124 einstellen kann. Während die Düse 136 nachstehend gründlicher beschrieben wird, ist es ausreichend, zu erkennen, daß die Düse 136 eine Öffnung 168 hat, welche über einen inneren Kanal innerhalb der Düse 136 mit einem Lufteinlaßschaft 170 verbunden ist. Der Lufteinlaßschaft 170 ist vorzugsweise für ein Anbringen an ein Gummi- oder Kunststoffrohr ausgebildet, welches über eine Drossel mit einer Zuführung von Druckluft verbunden ist. Die Düse 136 hat einen mit Gewinde versehenen Stutzen 172 und eine Scheibe 174 und eine Mutter 176 für eine Befestigung am Düsenrahmen 138.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 werden dort die konstruktiven Merkmale der Düse 136 und des Endes des Verschlußarmes 124 veranschaulicht, welcher über Druckluft mit der Düse 136 in Berührung steht. Die Düse 136, die einen Lufteinlaßschaft 170 und einen Düsenkörper 180 hat, ist aus rostfreiem Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen und haltbaren Material hergestellt. Der Lufteinlaßschaft 170 ist an den Düsenkörper 180 in axialer Übereinstimmung mit einer Bohrung hart angelötet oder anderweitig verschweißt, welche rechtwinklige Innenkanäle 182 und 184 hat. Die axiale Bohrung 184 steht mit einer Öffnungsbuchse 186 in Verbindung, welche aus einem gehärteten Material, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, hergestellt ist. Die Düsenbuchse 186, welche die Öffnung 168 definiert, kann je nach der erforderlichen Reaktion verschiedene Durchmesser haben. Bei der bevorzugten Form der Erfindung der Durchmesser der Düse einen Durchmesser von ungefähr vierzig Tausendstel Zoll, und eine Druckluft wird in den Schaft durch eine Drossel eingeleitet. Vorzugsweise wird eine (nicht gezeigte) Drossel in die Leitung zwischen der Düse 136 und der Druckluftzuführung geschaltet. Mit dem Düsenkörper 180 untrennbar verbunden ist ein Gewindestutzen 172 ausgebildet, der axial bezogen auf den Düsenkörper 180 zentriert ist. Ein Zwischenschaft 188 ist gegenüber der Achse des Düsenkörpers 180 verschoben. Dieses Versetzen des Schaftes 188 gestattet, daß die Düsenöffnung 168 bezogen auf den Verschlußarm 124 dadurch eingestellt werden kann, daß man die Düse 136 entsprechend dreht und sie dann an dem Rahmen 138 der Düseneinheit befestigt. Wichtig ist, daß der Düsenkörper 180 eine Stirnfläche 190 hat, die die Öffnung 168 umgibt und radial nach außen in einer Richtung nach hinten weg von der Öffnung 168 zuläuft. Der Kegelwinkel der Düsen-Stirnfläche 190 bezogen auf die axiale Achse des Düsenkörders 180 beträgt ungefähr 45º. Die konisch zulaufende Stirnfläche 190 sorgt in Verbindung mit der Konstruktion des Verschlußarmes 124 für eine verbesserte Linearität zwischen dem Druck, der aus der Düse austritt und der Kraft, welche auf den Verschlußarm 124 ausgeübt wird. Mit anderenworten, bei einer solchen Konstruktion wird der Druck der Luft, welche aus der Öffnung 268 austritt, genau linear in eine Kraft umgewandelt, welche auf den Verschlußarm 124 wirkt.
Das letzte Ende des Verschlußarmes 124 wird in Fig. 8 gezeigt. Hier ist eine Metallknopfeinheit 192 innerhalb des Kunststoffarmes des Verschlußarmes 124 ausgebildet oder in anderer Weise befestigt. Ideal hat der Knopf 192 einen runden Stirnseitenteil 194, welcher einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,2 Zoll und vorzugsweise von 0,15 Zoll, hat. Weiterhin hat der Knopf 192 einen als Schulter ausgebildeten Rand 196, um darum herum das Kunststoffmaterial so zu auszubilden, daß es den Knopf 192 in den Verschlußarm einsetzt und darin verankert. Vorzugsweise wird der Knopf 192 aus einem außerordentlich harten Material verschleißfest hergestellt, beispielsweise aus Stahl vom Typ 440. Wie vorstehend vermerkt, sorgt daß Zusammenwirken der Druckluft zwischen der Düse 136, welche die vorstehend gezeigte Struktur hat und der ebenen Stirnfläche des Knopfes 192 des Verschlußarmes für eine lineare Umwandlung der Kraft, welche der Verschlußarm 124 durch die Druckluft erfährt, welche aus der Düsenöffnung 168 austritt. Wie nachstehend stärker detailliert erklärt wird, wird ein voreingestellter Abstand zwischen der Düsenöffnung 168 und dem Verschlußarmknopf 192 während der Herstellung der Wandlereinheit hergestellt. Desgleichen wird, wie gründlicher nachstehend beschrieben wird, der Luftstrom in dem System laminar gehalten, um Nichtlinearitäten des Systems zu reduzieren.
Wieder bezogen auf Fig. 6 wird eine Spulenwicklungseinheit 200 abgebildet, die entsprechend der Erfindung hergestellt ist. Es wird auch ein Teil des Wandlergehäuses 202 gezeigt. Das Gehäuse 202 ist aus einem nicht-magnetischen Material, wie beispielsweise Aluminiumguß, hergestellt. Mit dem Gehäuse 202 untrennbar verbunden ist eine Trennwand 204 ausgebildet, welche eine rautenförmige Vertiefung 206 für die Aufnahme des Magneten 120 und der entsprechenden Sattelkonstruktion 122 darin hat. Die Trennwand 204 und die Seitenwände und der Boden der Vertiefung 206 sorgen für eine Isolierung zwischen den elektrischen Bauteilen und Schaltkreisen, die darunter liegen und dem beweglichen Magneten 120 und der Sattelkonstruktion 122, die innerhalb der Vertiefung 206 aufgehängt sind. Über den Umfang der Seitenwände der Vertiefung 106 angeordnet befindet sich eine Spulenwicklung 208, welche um einen rautenförmigen Kunststoffrahmen 210 gewikkelt ist. Ein Paar Drähte 212, welche die Enden der Spulenwicklung 208 umfassen, tritt aus der Baueinheit 200 für einen Anschluß an eine (nicht gezeigte) Schalttafel aus. Die gerundeten Enden 146 und 147 des Magneten 120 sind so in der Spule 208 untergebracht, daß sie stumpfwinkligen Abschnitten davon benachbart sind. Die geraden Seiten 142 und 144 des Magneten 120 und die flexiblen Streifen 132 und 134 sind in der Spule 208 so angeordnet, daß sie den spitzwinkligen Abschnitten der Spule 208 benachbart sind. Diese Konstruktion gestattet in vorteilhafter Weise, daß eine maximale Anzahl von Magnetflußlinien von den gerundeten Enden des Magneten 120 mit einem hauptsächlichen Teil der Spule 208 zusammenwirkt und so der Koppelungs-Gütegrad optimiert wird. Die spitzwinkligen Abschnitte der Spule 208 umfassen einen kleineren Teil von Spule 208 und sind den geraden Seiten des Magneten 120 benachbart, welche die geringste Anzahl Magnetflußlinien erzeugen. Die Form der Spule 208 und der kreuzpolarisierte Magnet 120 sorgen folglich für eine kompakte magnetische Wechselwirkungsschaltung, welche einen hohen Koppelungs-Gütegrad hat.
Die Spuleneinheit 200 hat weiterhin eine Konsole 214, welche aus magnetischem Material, wie beispielsweise aus kaltgewalztem Stahl, hergestellt ist, an welcher der Spulenrahmen 210 befestigt ist. Die Spulen-Konsole 214 hat eine Grundplatte mit einem Paar gegenüberliegenden seitlichen Vorsprüngen 216 und 218, die senkrecht zur Grundplatte ausgebildet sind. Die Konsole 214 und die seitlichen Vorsprünge 216 und 218 bilden einen primären Rückleitungsweg für den Magnetfluß des Magneten 120. Die Vorsprünge 216 und 218 sind länger als die Dicke des Magneten 120, um zu gewährleisten, daß es eine magnetische Anziehung zwischen dem Magneten und den beiden Vorsprüngen gibt. Der rautenförmige Spulenrahmen 210, um welchen herum die Spulenwicklung 208 gewickelt ist, ist an der Konsolenplatte mit einem Paar röhrenförmiger Träger befestigt, von denen einer als 220 gezeigt wird. Ein Befestigungsstück kann durch eine Bohrung in der Konsolenplatte, durch den röhrenförmigen Träger 220 und hinein in das Kunststoffmaterial des Spulenrahmens 210 geführt werden. Die Spulenkonsole 214 wird bezogen auf die Gehäusevertiefung 206 so befestigt, daß die Spule 208 die Vertiefung 206 an einer solchen Stelle umgibt, daß ein magnetischer Einfluß auf den Magneten 120 ausgeübt wird, welcher innerhalb der Vertiefung 206 aufgehängt ist. Am Boden der Vertiefung 206 ist ein Paar Auflager ausgebildet, von denen einer mit Bezugszahl 222 bezeichnet wird, von denen jedes mit Innengewinde versehene Bohrungen hat. Die Bodenplatte der Spulenkonsole 214 hat ein entsprechendes Paar von in einem Abstand voneinander angeordneten Bohrungen 224, durch welche eine Schraube geführt und in die entsprechenden Auflager eingeschraubt wird. Auf diese Weise wird die Spulenkonsole 214 und folglich auch die Spule 208 selbst, in einer feststehenden Stellung über der Trennvertiefung 206 befestigt. Während die Spuleneinheit 200 mit einer Konsole 214 hergestellt gezeigt wird, könnten jene, die mit der Technik vertraut sind, der Meinung sein, daß es vorteilhaft ist, eine Schulter an den äußeren Seitenwänden der Vertiefung 206 auszubilden und die Spule 208 und den Rahmen 210 daran direkt um die Vertiefung 206 herum anzukleben oder in anderer Weise zu befestigen.
Um die Spuleneinheit 200 herum ist eine metallische zylinderförmige magnetische Abschirmung 228 angeordnet. Die Abschirmung 228 kleidet im wesentlichen die innere zylindrische Fläche des Gehäuses 202 unter der Trennung 204 aus und verhindert dadurch, daß äußere Magnetfelder oder elektromagnetische Interferenzsignale den Magneten 208 beeinflussen. In gleicher Weise verhütet die Abschirmung 228 auch, daß die elektromagnetischen Felder, welche durch Ströme in der Spule 208 erzeugt werden, Geräte außerhalb des Wandlers beeinflussen. Noch wichtiger ist, daß die Abschirmung 228 einen sekundären Rückleitungsweg für Flußlinien bildet, welche aus dem Nordpol des Magneten 120 austreten und sich durch die Spule 208 ausbreiten, wieder in den Südpol des Magneten 120 eintreten. Wie vorstehend vermerkt, funktionieren die Spulenkonsole 214 und die nach oben gerichteten Vorsprünge als primärer Rückleitungsweg für die magnetischen Flußlinien, welche durch den Magneten 120 und die Spule 208 erzeugt werden. Zusätzlich sorgt die Spulenkonsole 214 für eine Abschirmung des Magnetflusses, wenn Einstellwerkzeuge, wie beispielsweise ein Schraubendreher, in den Wandler eingesetzt werden, um Einstellungen bei der Meßspanne, der Nullstellung oder andere vorzunehmen. Ein Schraubendreher würde ansonsten das Magnetfeld während des Einstellens erhöhen, und wenn er entfernt wird, würde der magnetische Kreis des Wandlers geändert werden und würde sich die Einstellung effektiv ändern.
Es ist von Bedeutung, zu vermerken, daß das Material, aus welchem die Gehäusetrennung 204 und die Vertiefung 206 hergestellt werden, nicht-magnetisch ist und die magnetische Koppelung zwischen der Spule 208 und dem Magneten 120, der innerhalb der Vertiefung 206 aufgehängt ist, nicht stört. Aluminium, Messing, Kupfer oder andere nicht-magnetische Materialien sind für eine Bildung der Seitenwände von Gehäuseteilung 204 und der Seitenwände und des Bodens der Vertiefung 206 gut geeignet. Bei der bevorzugten Form der Erfindung wird ein Aluminium-Gußmaterial für die Herstellung des Wandlergehäuses 202, die Teilung 204 und die Vertiefung 206 eingeschlossen, verwendet, weil ein solches Material ungefähr dieselbe elektrische Permeabilität wie die Luft hat und folglich die magnetische Koppelung zwischen der Spule 208 und dem Magneten 120 nicht nennenswert stört. Zusätzlich ist das Aluminiumgußmaterial leitend und liefert deshalb Wirbelströme zur Dämpfung des Magneten. Ohne Wirbelstromdämpfung wurde eine schnelle Änderung beim Strom zu einer Magnetbewegung führen, welche über eine richtige Stellung hinausgeht und hin- und zurückschwingen und in der richtigen Stellung zur Ruhe kommen. Ein solches Schwingen bei der Bewegung des Magneten 120 erzeugt entsprechende Verschlußarmbewegungen und eine unerwünschte Modulation des Ausgangs-Luftdruckes. Eine Wirbelstromdämpfung funktioniert als Bremse und reduziert folglich das Überschwingen des Magneten. Die Trennwand 204 und die Vertiefung 206 funktionieren als Transformator mit einer kurzgeschlossenen Windung sekundär zu induzierten Magnetfeldern und bremsen folglich die Schwingungsbewegungen des Magneten 120.
Jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 9 wird eine Schnittansicht durch einen Teil des entsprechend der Erfindung hergestellten Wandlers gezeigt. Wie vermerkt, ist das Gehäuse 202 in zwei Abteilungen zum Zweck eines Explosionsschutzes des Gerätes durch die Trennwand 204 und die Vertiefung 206 unterteilt. Die stromführenden elektrischen Bauteile können innerhalb der unteran Abteilung des Gehäuses 202 untergebracht und gegenüber der äußeren Umgebung durch einen Bodendeckel 230 abgetrennt werden, welcher mit dem Gehäuse 202 verschraubt und durch einen Rundring 232 dagegen abgedichtet wird. Die elektrischen Leiter 234, welche in das Wandlergehäuse 202 durch einen untrennbar damit verbundenen Anschluß 236 eintreten, können durch geeignete Kanäle oder ein Rohr eingeschlossen werden, welches ebenfalls explosionssicher ist. Wie man einschätzen kann, sind der Magnet 120 und die Düseneinheit 126 in einer oberen Abteilung des Gehäuses 202 angeordnet, welches nicht so hergestellt werden muß, daß es Explosionsschutzstandards befriedigt.
Die Düseneinheit 126 und der daran angebrachte Sattel 122 und Magnet 120 sind an einer runden Platte 240 befestigt, welche innerhalb des Gehäuses 202 mit Hilfe einer Anzahl von Schrauben 242 festgemacht wird. Die Düseneinheit 126 ist an der runden Platte 240 mit Hilfe eines Schraubenpaars befestigt, von denen eine mit Bezugsnummer 244 gezeigt wird, welche den runden Teil 240 und die Düseneinheitsplatte 160 zusammenklemmen. Die Düseneinheitsplatte 160 ruht zwischen der runden Platte 240 und der Gehäuse-Trennwand 204 und ermöglicht so, daß der Magnet 120 innerhalb der Vertiefung 206 in einem vorbestimmten Abstand aufgehängt wird. Vorzugsweise wird der Magnet 120 innerhalb der Vertiefung 206 so aufgehängt, daß er innerhalb der Spulenwicklung 208 angeordnet und zentriert ist. Durch Herstellen des Verschlußarmes 124 und des Sattels aus Kunststoffmaterial und durch Verwendung eines kleinen Magneten, aber eines solchen mit hoher Energie, liegt die Resonanzfrequenz der beweglichen Teile generell außerhalb eines Bereichs der Schwingungsbewegungen von Ausrüstungsteilen, wie beispielsweise von Rohrleitungen und Pumpen. Die Resonanzfrequenz des Wandlers der bevorzugten Ausführungsform liegt innerhalb des Bereichs von 40 - 60 Hz, was nennenswert höher als der Resonanzkennwert anderer allgemein bekannter Wandler von 10 - 20 Hz ist. Wie in Fig. 9 vermerkt, ist die Düse 136 an der Düsenkonsole 138 befestigt. Während die Düse 136 mit Hilfe des versetzten Schaftes 188 und des Rahmenschlitzes 166 einstellbar ist, ist die Düse 136 anderweitig bezogen auf ihren Abstand von dem Verschlußarm 124 nicht einstellbar. Vielmehr wird, wie stärker detailliert nachstehend noch zu beschreiben ist, wird der Abstand zwischen der Düsenbuchse 186 und dem Verschlußarmknopf 194 durch Einstellen des Verschlußarmes 124 auf einen Ruheabstand eingestellt.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Spuleneinheit 200 um die äußeren Seitenwände der Vertiefung 206 herum so befestigt, daß die Spule 208 über dem Umfang des Magneten 120 herum plaziert wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt in einer Ruhestellung des Magneten 120, d.h. ohne den Einfluß eines Magnetfeldes von der Spule 208, die Trennung zwischen den Kanten des Magneten 120 und der Spule 208 ungefähr 0,1 und 0,2 Zoll. In der Unterseite des Bodens 250 der Vertiefung 206 ist ein Paar Gewindebohrungen ausgebildet, von denen eine mit Bezugszahl 252 gezeigt wird. Wie man sehen kann, brauchen die Gewindebohrungen 252 nicht vollkommen durch den Boden 250 der Vertiefung 206 ausgebildet zu sein, und für Zwecke der Explosionssicherheit sollten sie tatsächlich nicht durch das Material hindurch gebildet werden. Ein Paar Allen- oder Madenschrauben 254 werden in die Bohrungen 252 geschraubt. Die Schrauben 254 sind vorzugsweise aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl, hergestellt, um für eine magnetische Vorspannung oder eine Grob-Nulleinstellung bezogen auf den Magneten 120 zu sorgen. Die Schrauben 254 werden in den Gewindebohrungen 252 bezogen auf den Magneten 120 so eingestellt, daß sich der Magnet 120 um einen geringfügigen Betrag in eine Ruhestellung bewegt und dadurch der Abstand zwischen dem Verschlußarmknopf 194 und der Düsenöfffnungsbuchse 186 justiert wird. Man kann einschätzen, daß das Justieren einer Schraube so wirkt, daß sich der Verschlußarm 124 zu der Düse 136 hin bewegt, während das Justieren der anderen Schraube dazu dient, den Verschlußarm 124 von der Düse 136 weg zu bewegen. Demgemäß kann durch Einstellen einer oder beider Schrauben 254 ein genauer Abstand zwischen dem Verschlußarmknopf 194 und der Düsenöffnungsbuchse 186 hergestellt werden. Der Abstand zwischen dem Verschlußarm 124 und der Düse 136 wird hergestellt, ohne, daß Strom durch die Spule 208 fließt. Als alternative Anordnung können die Schrauben 254 weggelassen und kann ein kleiner Permanentmagnet an der Vertiefung 206 befestigt werden, um den größeren Magneten 120 in eine voreingestellte Position vorzuspannen Der kleinere Vorspannmagnet wäre bezogen auf den größeren Magneten 120 einstellbar, um für eine grobe Nulleinstellung zu sorgen. Weitere Justierungen können in externen elektrischen Schaltungen vorgenommen werden, um eine Feineinstellung des Magneten 120 zu erreichen.
Eine Schaltungskarte 256 mit elektrischen Bauteilen wird am Boden 250 der Vertiefung 206 mit Hilfe einer Schraube 258 befestigt. Die Leiter-Anschlußenden der Spule 208 werden durch eine Öffnung in der Spulenkonsole 214 geleitet und an der Schaltungskarte 256 angeschlossen. Die Schaltungskarte 256 kann Schaltkreise für die Einstellung des Nullwertes, des Meßbereichs und anderer Parameter für eine Optimierung des Leistungsverhaltens des Wandlers enthalten. Der Wandler der Erfindung ist speziell angepaßt, um auf Ströme von 4 - 20 Milliampere anzusprechen, die durch Leiter 234 zur Schaltungskarte 256 geführt werden, wonach die Spule 208 durch entsprechende Ströme getrieben wird. Schaltkreisteile, wie Thermistoren und dergleichen, können genutzt werden, um für eine Temperaturkompensation für die magnetischen Kennwerte des Magneten 120 zu sorgen. Jene, die auf diesem Gebiet bewandert sind, können leicht Geräte-Kompensationsschaltungen konstruieren, um den negativen Temperaturkoeffizienten von Neodym-Eisen-Bor-Magneten auszugleichen und umgekehrt. Wenn die Spule 208 durch spezifizierte Größen eines Gleichstroms erregt wird, dann schwenkt der Magnet, wie durch Pfeil 260 angezeigt, um die Achse der flexiblen Streifen 134. Der Magnet 120 schwenkt um einen Winkel, der proportional dem Strom ist, der durch die Spule 208 fließt. In gleicher Weise ist die Größe der Schwenkbewegung des Magneten 120 proportional der Bewegung des Verschlußarmes 124, um dadurch den Abstand zwischen der Düse 136 und dem Verschlußarm 124 zu ändern. Der Abstand zwischen dem Verschlußarmknopf 194 und der Düsenöffnungsbuchse 186 führt zu einem entsprechenden Druck in einem Pneumatikkreis, der mit der Düse 136 verbunden ist. Wie in der Technik allgemein bekannt, gilt, daß ein größerer Abstand zwischen dem Verschlußarm 124 und der Düse 136 einen verminderten Druck innerhalb der Düse verursacht, während ein kleinerer Abstand zwischen dem Verschlußarm 124 und der Düse 136 einen erhöhten Druck innerhalb der Düse verursacht.
Entsprechend einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung und wie vorstehend vermerkt ist an dem Magneten 120 ein Gegengewicht 140 zum Abgleichen des Magneten 120 und der Sattelkonstruktion 122 um die Schwenkachse, die durch die flexiblen Lager 132 und 134 verläuft, angebracht. Mit anderen Worten, das Gegengewicht 140 wird bezogen auf Größe, Material usw. so gewählt, daß die Masse des Materials auf jeder Seite der Schwenkachse der flexiblen Lager 132 und 134 im wesentlichen gleich ist. Mit dieser Konstruktion ist der Verschlußarm 124 ausgewuchtet und hat einen Abstand von der Düse 136 ohne Rücksicht auf die physische Orientierung des Wandlers. Der Vorteil, welcher mit diesem Merkmal geboten wird, ist, daß der Wandler mit demselben Leistungsverhalten und ohne Justierung funktionieren kann, wenn der Wandler in der in Fig. 9 gezeigten Orientierung oder um 90º gedreht betrieben wird.
Während der Wandler in Verbindung mit flexiblen Streifen und einem Permanentmagneten beschrieben worden ist, können jene, die mit der Technik vertraut sind, feststellen, daß auch andere Konstruktionen genutzt werden können. Während beispielsweise flexible Streifen kosteneffektiv sind, kann auch ein traditionelles Lager genutzt werden. Desgleichen kann statt des Permanentmagneten ein Elektromagnet eingesetzt werden, wobei flexible Drähte an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, um für ein Magnetfeld im Zusammenwirken mit demjenigen der feststehenden Spulenwicklung zu sorgen.
Fig. 10 ist veranschaulichend für eine Prozeßsteuerungsanwendung, bei welcher der Wandler der Erfindung mit Vorteil eingesetzt werden kann. Bei einer solchen Anwendung spricht der Wandler 261 auf einen Gleichstrom einer speziellen Größe an Eingangsleitern 234 an, um für einen entsprechenden pneumatischen Druck an einem Ausgang 262 zu sorgen. Vorzugsweise wandelt der Wandler 261 einen Eingangsstrom von 4 - 20 Milliampere in eine entsprechende Druckänderung am pneumatischen Ausgang 262 um, welcher, wenn er durch das Relais 266 nach oben vorgespannt ist, das Ventil in die gewünschte Stellung treibt. Die Druckänderung in Leitung 262 hat einen Wert ΔP von ungefähr 1,2 psi für einen Betrieb bei Vollausschlag. Wie weiter vermerkt, liefert eine Druckluftzuleitung nominell ungefähr 20 psi an Druck an einen Eingang des Relais 266. Ein entsprechender Ausgang des Relais 266 ist mit einem Regler 267 gekoppelt, und es wird geregelte Luft durch eine Drossel 264 der pneumatischen Ausgangsleitung 262 zugeführt. Der in der pneumatischen Ausgangsleitung 262 erzeugte Luftdruck wird über geeignete Rohre oder Schläuche mit einem anderen Eingang von Relaisverstärker 266 verbunden. Ein entsprechender Ausgang des Relais 266 spannt den ΔP-Eingang bei Leitung 262 nach oben auf einen entsprecheden Druck vor, der funktioniert, um ein Ventil zwischen Endlagen zu bewegen. Relaisverstärker sind allgemein in der Technik für ein Verstärken des Eingangsdrucks um spezifierte Beträge, um entsprechende Ausgangsdrücke zu erzeugen, bekannt. Bei dem Beispiel hat das pneumatische Relais 266 eine Verstärkung von ungefähr zehn und vervielfacht dadurch die in dieses eingegebenen Drücke um einen Faktor von zehn. Ein Luftdruck, der einem Eingangs-Wandlerstrom entspricht, wird von dem Ausgang des pneumatischen Relais 266 mit einem Ventilbetätigungselement 268 für die Steuerung eines Prozeß-Steuerventils verbunden und steuert dadurch eine Flüssigkeit in einer Rohrleitung, mit welcher das Ventil verbunden ist. Das Ventilbetätigungselement 268 reagiert auf den pneumatischen Eingangsdruck, um das Ventil in eine entsprechende Stellung bezogen auf einen Ventilsitz zu bringen. Dementsprechend wird ein Eingangsstrom von 2 - 40 Milliampere in einen entsprechenden Druck umgewandelt, auf welchen das Ventilbetätigungselement anspricht, um das Ventil genau zu positionieren.
Das Ventilbetätigungselement 268 hat einen mechanischen Rückkoppelungsarm 270, welcher sich in Übereinstimmung mit dem (nicht gezeigten) Schaft des Ventils bewegt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Ventilbetätigungselement und dem Wandler 260 besteht aus einem Rückkoppelungssystem für ein Stabilisieren des Systems. Die Rückkoppelungsvorrichtung umfaßt den Betätigungsarm 270, der sich in Übereinstimmung mit dem Ventilschaft nach oben und nach unten bewegt. Typische Ventilschaftbewegungen können bei Vollausschlag im Bereich von einem halben Zoll bis zu vier Zoll liegen. Das Endes des Arms 270 ist mit einem Gabelkopf 272 verbunden, welcher schwenkbar mit einem seitlichen Arm 274 verbunden ist. Das andere Ende des seitlichen Arms 274 ist an einer Welle 276 befestigt, welche innerhalb eines feststehenden Lagers 278 gedreht wird. Das andere Ende der Welle 276 ist wiederum an einem Arm 280 befestigt, welcher sich im gleichen Takt mit dem seitlichen Arm 274 bewegt. Eine schwache Feder 156, die nur ein paar Unzen an Spannung liefert, ist zwischen das Ende des Arms 280 und den Verschlußarm 124 gespannt.
Bezogen auf die Luftstrom-Kennwerte in dem Steuerteil des Systems sollte beachtet werden, daß der Regler 267 so angepaßt ist, daß er für einen Druckabfall von ungefähr 2,5 bis 3,0 psi über die Drossel sorgt. Der Luftstrom dadurch wird folglich laminar gehalten, genauso, wie bei der Luft, die durch die Düse 136 mit dem Verschlußarm 124 gekoppelt ist. Die Linearität des Systems wird folglich optimiert. Die Drossel 264 hat eine feststehende Öffnung, welche infolge einer Druck-Rückkoppelung durch die Leitung 262, durch das Relais 266 und innerhalb des Relais 266 zum Regler einen konstanten Druck darüber erzeugt.
Unter kurzer Bezugnahme auf Fig. 11 wird dort grafisch die Beziehung zwischen dem Druck in der Düse 136 und der Auslenkung des Verschlußarmes 124 dargestellt. Wie man sehen kann, ist für hohe und niedrige Düsendrücke die Auslenkung nicht linear. Jedoch für mittlere Düsendrücke von ungefähr 6 - 12 psi ist die Auslenkung ziemlich linear. Folglich ist, wenn man den Düsendruck zwischen ungefähr 6 und 12 psi hält, die Auslenkung des Verschlußarmes linear. Wie eingeschätzt werden kann, umfassen die Düse 136 und Verschlußarm 124 eine variable Öffnung. Diese Anordnung sorgt für einen laminaren Luftstrom durch die Düse, was zusammen mit der Düse 136 und der Verschlußklappenkonstruktion für einen hohen Grad an Linearität zwischen dem Düsen-Luftdruck und der Auslenkung des Verschlußarmes 124 sorgt.
Bei Betreiben des Prozeßsteuerungssystems von Fig. 10 wird, wenn gewünscht wird, das Ventil in eine spezielle Stellung zu bringen, ein entsprechender Gleichstrom in den Wandler 261 über die Leiter 234 eingeleitet. Der Strom durch die Spule 208 erzeugt ein entsprechendes Magnetfeld, welches den Permanentmagneten 120 beeinflußt. In dem Bereich, in welchem das Magnetfeld der Spule 208 dem Magnetfeld des Permanentmagneten 120 entgegenwirkt, tendiert das Magnetende 146 oder 147 dazu, sich von der Spule weg zu bewegen. In dem Gebiet, wo sich das Magnetfeld der Spule 208 und des Permanentmagneten 120 gegenseitig anziehen, wird das andere Magnetende 147 oder 146 dazu tendieren, sich zur Spule hin zu bewegen. Weil der Magnet 120 für eine Bewegung um die Schwenkachse durch die flexiblen Streifen 132 und 134 eingespannt ist, schwenkt der Magnet entsprechend Pfeil 260. Die Schwenkbewegung des Magneten 260 erzeugt eine entsprechende, aber entgegengesetzte Schwenkbewegung des Verschlußarmknopfes 194 und der Düsenöffnung 168. Wenn die Änderung beim Eingangsstrom in einer Richtung erfolgt ist, um den Verschlußarm 124 weg von der Düse 136 zu bewegen, dann nimmt der Luftdruck in der pneumatischen Abgangsleitung 262 ab. Wenn andererseits die Stromeingabe in den Wandler in einer Richtung erfolgt ist, um den Verschlußarm 124 näher an die Düse 136 heran zu bewegen, dann wird der Luftdruck in der pneumatischen Abgangsleitung 262 ansteigen. Das Relais 266 verstärkt den Druck um einen konstanten Faktor, beispielsweise um 10, wie bei dem vorstehenden Beispiel angegeben. Der verstärkte Ausgangsdruck, der durch das Relais 266 abgegeben wird, ist ausreichend, um die Ventilbetätigungseinrichtung 268 zu betreiben, welche das Ventil dementsprechend positioniert. Wenn der Druck, der mit der Ventilbetätigungseinrichtung 268 gekoppelt ist, erhöht wird und wenn eine solche Erhöhung den Ventilschaft und den Arm 270 nach unten bewegt, dann würde der seitliche Arm 274 des Rückkoppelungssystems um Welle 276 in einer Abwärtsrichtung schwenken. Eine solche Bewegung hat die Auswirkung, daß der Arm 280 weg von dem Wandler 261 bewegt wird, wodurch eine Kraft durch die Feder 156 aufgebracht wird, um den Verschlußarm 124 weg von der Düse 136 zu bewegen. Ein Gleichgewichtszustand wird dann hergestellt, wenn der Verschlußarm 124 sich in einem bestimmten Abstand von der Düse 136 befindet und der in den Wandler 260 eingegebene Strom der neuen Ventileinstellung entspricht. Man kann sehen, daß zwei entgegengesetzte Kräfte auf den Verschlußarm 124 wirken, eine von der Schwenkbewegung des Magneten als Reaktion auf einen Eingangsstrom und die andere von der Bewegung des Ventils selbst. Für jede inkrementelle Zunahme oder Abnahme beim Eingangsstrom des Wandlers 261 ändert das Betätigungselement die Lage des Ventilschaftes, so daß es eine entgegenwirkende und gleiche Kraft gibt, welche durch die Feder 156 auf den Verschlußarm wirkt. Folglich wandelt das Prozeßsteuerungssystem von Fig. 10 einen Eingangsstrom über einen spezifizierten Bereich linear in entsprechende Ventilschaftbewegungen um. Damit das in Fig. 10 gezeigte Steuerungssystem zufriedenstellend arbeitet, muß die Verstärkung des Systems ausreichend hoch sein. Zu diesem Zweck ermöglicht es die Kombination der hohen Feldstärke des Wandlermagneten 120 und der Verstärkung des Relais 266, daß das Steuerungssystem optimal arbeitet.
Während verschiedene Ventiltypen für diesen Zweck zur Verfügung stehen, durch Drehung betätigte Ventile und linear betätigte Ventile, normalerweise geöffnete Ventile, normalerweise geschlossene Ventile usw. eingeschlossen, kann die Betätigungseinrichtung 268 einen Ventilschaft in angemessener Weise so bewegen, daß das Ventil bei einem Eingangsdruckbereich zwischen einer vollkommen geschlossenen Stellung und einer vollkommen geöffneten Stellung bewegt werden kann. Wenn dazwischenliegende Drücke durch das Relais 266 ausgegeben werden, dann wird das Ventil in eine entsprechende Zwischenstellung gebracht. Weiter hin können jene, die mit der Technik vertraut sind, leicht die vorstehenden Prinzipien und Konzepte an Prozeßsteuerungssteme anpassen, welche Betätigungselemente für Drehventile für die Steuerung eines durch Drehen betätigten Ventils anpassen können. Für den Fall, daß ein Drehventil verwendet wird, können die Dreharme oder anderen Vorrichtungen des Ventilschaftes mit der sich drehenden Welle 276 des Wandlergetriebes gekoppelt werden. Der Wandler und Welle 276 können seitwärts orientiert werden, so daß die Drehachsen sowohl der Welle 276, als auch des Ventils vertikal orientiert sind. Es sind natürlich auch andere Orientierungen, sowohl des Wandlers 261, seines Getriebes, als auch des Ventils oder Ventilbetätigungseinrichtung möglich.
In der vorstehenden Darstellung wird ein verbesserter Wandler offenbart, der zahlreiche technische Vorteile hat. Ein bedeutsamer technischer Vorteil, welchen die Erfindung bietet, ist, daß ein genauer und zuverlässiger Wandler zu einem kosteneffektiven Preis hergestellt werden kann. Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist, daß durch Verwendung eines beweglichen Magneten in Verbindung mit einer feststehenden Wicklung eine explosionssichere Gestaltung der Einheit erleichtert wird. Ein damit verwandter technischer Vorteil der explosionssicheren Gestaltungstechnik der Erfindung ist, daß keine Flammenhemmvorrichtung für das Betreiben des Wandlers erforderlich ist. Noch ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist, daß durch Verwendung eines Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten, welcher ein Magnetfeld von außerordentlich hoher Feldstärke hat, der Wandler kompakter hergestellt werden kann, um den zur Verfügung stehenden Eingangsstrom besser auszunutzen und eine hohe Verstärkung zu erzielen. Ein damit zusammenhängender technischer Vorteil des Vorstehenden ist, daß durch Verwendung eines kleinen Permanentmagneten, aber eines solchen mit einer hohen magnetischen Feldstärke, die Reaktionszeit desselben auf Änderungen beim Strom korrespondierend gehalten werden, wodurch schnellen Einschwingvorgängen der Spulenströme durch entsprechende Positionsänderungen bei dem Permanentmagneten gefolgt werden kann. Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist, daß infolge seiner hohen Resonanzfrequenz eine Schwingungsmodulation des Wandlerausgangs reduziert wird. Die Erfindung sorgt noch für einen weiteren technischen Vorteil für eine Einstellung der Ruhelage insofern, als der Permanentmagnet durch eine oder mehrere Schrauben einen Vorwert erhalten kann, die bezogen auf den Magneten justiert werden. Ein weiterer technischer Vorteil des elektropneumatischen Stellgliedes der Erfindung ist eine Düsen-Verschlußarm- Kombination, welche für eine lineare Umwandlung zwischen Luftdruck und Kraft auf dem Verschlußarm sorgt.

Claims

1. Meßwandler, mit:

einer Spulenwicklung (208), um in Reaktion auf einen elektrischen Eingang in die Spulenwicklung ein Magnetfeld zu erzeugen;

einem Magnet (120), um in Reaktion auf das so erzeugte Magnetfeld eine Schwenkbewegung zu bewirken;

einem Gehäuse (202), um die Wicklung und den Magnet zu umschließen, wobei das Gehäuse eine Trennwand (204) hat, um zwei voneinander isolierte Gehäusekammern zu bilden, wobei das Gehäuse eine in der Trennwand ausgebildete Vertiefung (206) hat, wobei die Vertiefung Seitenwände und eine Bodenwand hat;

zumindest einem Lager (132, 134), das mit dem Magnet verbunden ist, um in Reaktion auf das Magnetfeld eine Schwenkbewegung des Magneten um eine sich durch den Magnet erstreckende Achse zu ermöglichen; und

einer Lager-Halteanordnung (128, 130), mit der das zumindest eine Lager verbunden ist, um den Magnet und das zumindest ein Lager in dem von der Spulenwicklung umgebenen Raum herabhängend zu halten; und

wobei der Magnet in der Vertiefung in einer der Kammern durch die Lager-Halteanordnung herabhängend gehalten ist und wobei die Wicklung in der anderen Kammer um die Vertiefung herum angeordnet ist.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem jedes Lager ein Paar flexible Streifen (132, 134) aufweist und bei dem die Lager- Halteanordnung ein Paar Halteelemente (128, 130) hat, wobei jedes Halteelement durch ein zugehöriges Paar von flexiblen Streifen mit dem Magnet verbunden ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 1, der außerdem aufweist:

einen Verschlußarm (124), der relativ zu dem Magnet montiert ist, um entsprechend der erzeugten Schwenkbewegung des Magneten eine Bewegung des Verschlußarms zu erzeugen.

4. Meßwandler nach Anspruch 3, der außerdem aufweist:

eine Versorgungsleitung (170), die dazu ausgestaltet ist, um darin ein unter Druck stehendes Gas aufzunehmen; und

eine Düse (136), die mit der Versorgungsleitung verbunden ist, wobei die Düse benachbart zum Verschlußarm feststehend ist, so daß durch die Bewegung des Verschlußarms das Strömen des unter Druck stehenden Gases durch die Düse beeinflußt wird.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, bei dem die Düse eine Öffnung (168) hat, um in Reaktion auf den Gasdruck an dem Eingang zu der Düse einen Gasstrom auszugeben, wobei die Düse eine ringförmige stirnseitige Fläche (190) hat, die von der Öffnung ausgehend nach hinten gerichtet konisch verläuft und wobei der Verschlußarm eine zu der Düse benachbarte ebene Fläche (194) hat, so daß die Düse den Gasstrom in Richtung auf die ebene Fläche lenkt, um eine zumindest im wesentlichen lineare Umwandlung des Druckes des Gasstromes in eine Kraft auf den Verschlußarm zu bewirken.

6. Meßwandler nach Anspruch 5, bei dem die stirnseitige Fläche (190) der Düse mit einem Winkel von etwa 45º konisch geneigt ist.

7. Meßwandler nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem die ebene Fläche (194) des Verschlußarms eine vorstehende kreisförmige Fläche (192) ist.

8. Meßwandler nach einem der Ansprüche 5, 6 und 7, bei dem die ebene Fläche (194) ein in einem Kunststoff-Verschlußarm ausgebildetes gehärtetes Material enthält.

9. Meßwandler nach einem der Ansprüche 4 - 8, der außerdem eine mit der Versorgungsleitung gekoppelte Luftversorgung hat.

10. Meßwandler nach Anspruch 9, bei dem die Luftversorgung eine Begrenzungseinrichtung (264) und eine Reguliereinrichtung (267) hat, um einen Druckabfall über die Begrenzungseinrichtung bis in einen vorbestimmten Bereich von Luftdrücken zu steuern.

11. Meßwandler nach Anspruch 10, bei dem die Luftversorgung einen Luftdruck in einem Bereich von etwa 6 bis etwa 15 psi an die Düse liefert.

12. Meßwandler nach einem der Ansprüche 4 - 8, der außerdem eine Luftversorgungseinrichtung hat, die mit der Versorgungsleitung verbunden ist, um einen laminaren Luftstrom durch die Düse aufrechtzuerhalten.

13. Meßwandler nach einem der Ansprüche 4 - 12, der außerdem einen Zwischenverstärker (266) hat, um den Gasdruck in der Versorgungsleitung zu verstärken.

14. Meßwandler nach einem der Ansprüche 4 - 13, der außerdem einen Einstellmechanismus (254) hat, um eine Ruhestellung des Verschlußarms einzustellen, um einen gewünschten Abstand des Verschlußarms bezüglich der Düse zu erreichen.

15. Meßwandler nach einem der Ansprüche 3 - 14, der außerdem eine Einrichtung (140) hat, um den Magnet und den Verschlußarm um die Achse so ins Gleichgewicht zu bringen, daß der Meßwandler in bezug auf seine Orientierung unempfindlich ist.

16. Meßwandler nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung (140) zum Herstellen des Gleichgewichts ein Gegengewicht enthält, das entweder an dem Verschlußarm oder an dem Magnet angebracht ist, um ein Gleichgewicht um die Achse zu bewirken.

17. Meßwandler nach Anspruch 16, bei dem das Gegengewicht (140) ein nichtmagnetisches Material umfaßt.

18. Meßwandler nach einem der Ansprüche 3 - 14, bei dem der Verschlußarm (124) länglich ist und sich in eine Richtung von der Achse nach außen erstreckt und der Magnet (120) ein daran angebrachtes Gegengewicht (140) hat, das sich in eine andere Richtung von der Achse nach außen erstreckt.

19. Meßwandler nach Anspruch 18, bei dem das Gegengewicht (140) die gleich Form wie der Magnet (120) hat.

20. Meßwandler nach einem der Ansprüche 4 - 19, bei dem die Spulenwicklung (208) um die Außenfläche der Seitenwände der Vertiefung (206) herum angeordnet ist;

die Düse (136) an einer Düsenanordnung (138) angebracht ist, die fest mit dem Gehäuse (202) verbunden ist, wobei die Düsenanordnung ein Paar nach unten verlaufende Arme (128, 130) aufweist, wobei an jedem der nach unten verlaufenden Arme ein flexibles Streifen-Lager (132, 134) vorgesehen ist;

der Verschlußarm (124) an einer Verschlußarmanordnung (122) angebracht ist, die einen Sattel zum Halten des Magneten (120) enthält, wobei die Verschlußarmanordnung über die flexiblen Streifen-Lager mit der Düsenanordnung verbunden ist, so daß der Magnet für eine Schwenkbewegung in die Vertiefung herabhängend gehalten ist.

21. Meßwandler nach Anspruch 20, bei dem die Sattelanordnung (122) und der Verschlußarm (124) aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind.

22. Meßwandler nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, bei dem der Magnet (120) herabhängend in die Vertiefung (206) für eine Schwenkbewegung um eine Achse gehalten ist, die durch die flexiblen Streifen-Lager (132, 134) verläuft.

23. Meßwandler nach einem der Ansprüche 20 - 22, bei dem die Vertiefung (206) im wesentlichen rautenförmig ist, um den Magnet (120) und die nach unten verlaufenden Arme (128, 130) herabhängend darin aufzunehmen.

24. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem eine Vorspannungseinrichtung (254) enthält, um den Magnet in eine Ruhestellung vorzuspannen, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist.

25. Meßwandler nach Anspruch 24, bei dem die Vorspannungseinrichtung (254) eine Einrichtung zum Erzeugen einer magnetischen Vorspannung enthält.

26. Meßwandler nach Anspruch 24, bei dem die Vorspannungseinrichtung einen Permanetmagnet enthält.

27. Meßwandler nach Anspruch 24, bei dem die Vorspannungseinrichtung (254) zumindest eine Schraube enthält, die bezüglich des Magneten verstellbar positioniert werden kann, um eine Einwirkung auf das zwischenliegende Magnetfeld einzustellen.

28. Meßwandler nach Anspruch 24, bei dem die Vorspannungseinrichtung (254) zumindest einen einstellbaren Satz Schrauben aus einem magnetischen Material enthält, die in der Bodenwand der Vertiefung verstellbar positioniert werden können, um eine Ruhestellung des Magneten einzustellen.

29. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vertiefung (206) aus einem nicht-magnetischen und elektrisch leitfähigen Material besteht.

30. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnet (120) eine Form hat, die durch gegenüberliegende abgerundete Enden (146, 147) und gegenüberliegende geradlinige Seiten (142, 144) gebildet ist.

31. Meßwandler nach Anspruch 30, bei dem jedes Lager (132, 134) mit einer jeweiligen geradlinigen Seite (142, 144) des Magneten (120) verbunden ist.

32. Meßwandler nach Anspruch 31, bei dem die Spulenwicklung (208) im wesentlichen rautenförmig ist, um den Magnet (120) und die Lager-Halteanordnung (128, 130) zu umgeben.

33. Prozeß-Steuerungssystem, mit einem Meßwandler (261) nach Anspruch 13, einem Ventil-Betätigungsglied (268), das auf durch den Zwischenverstärker (266) verstärkte Gasdrücke anspricht, um ein Ventil in eine gewünschte Position zu bringen, und einem Rückkopplungssystem, das eine mechanische Verbindung (270, 272, 274, 276, 278, 280), die mit einer Spindel des Ventils verbunden ist, und eine Feder (156) aufweist, die zwischen der Verbindung und dem Verschlußarm (124) angebracht ist.