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Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Wandler mit einem pneumatischen Druckregelventil zur Regelung eines Steuerdrucks mittels einer Reglermembran, die von einem Referenzelement und dem Steuerdruck im Kräftegleichgewicht gehalten wird.
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Derartige pneumatische elektropneumatische Wandler sind allgemein bekannt und werden zur Umsetzung eines elektrischen Signals in ein pneumatisches Signal verwendet. Dabei wird der Druck der Steuerluft mittels eines Düse-Prallplattensystem entsprechend einem elektrischen Signal verändert. Hierzu wird über einen Druckregler zunächst die Steuerluft auf einen konstanten Druck geregelt. Anschließend strömt diese Steuerluft durch eine Düse gegen eine Prallplatte. Mit Verstellen des Abstandes der Prallplatte zur Düse kann der Durchfluss und somit auch der Steuerdruck (Staudruck) verändert werden.
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Dazu benötigte Druckregelventile sind allgemein bekannt und werden zur Einstellung eines konstanten Regeldrucks unabhängig von Druckschwankungen eines zugeführten Druckmittels verwendet.
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Aus der
WO 05088417 A1 ist ein pneumatisches Druckregelventil bekannt, dessen Durchlass druckabhängig selbsttätig veränderbar ist, mit einer Stellmembran, die von einem Referenzdruck, von dem Gasdruck sowie von einer Regelfeder beaufschlagt ist, wodurch bei Veränderung des Differenzdrucks die Stellmembran verstellt wird und diese selbst oder ein von ihr betätigter Schließkörper den Durchlass durch einen Abströmquerschnitt verändert, und wobei eine an den Abströmquerschnitt membranseitig angrenzende Struktur einen Anschlag für die Stellmembran oder für den Schließkörper in deren Schließstellung bildet. Dabei ist vorgesehen, dass im Druckregelventil mindestens ein Voranschlag so angeordnet ist, dass bei Bewegung der Stellmembran in Schließrichtung die Stellmembran oder der Schließkörper zuerst in Kontakt mit dem Voranschlag gelangt und dass bei weiterer Bewegung der Stellmembran in Schließrichtung die Stellmembran oder der Schließkörper dann unter elastisch-flexibler Verformung oder unter weiterer elastisch-flexibler Verformung den Durchlass weiter verkleinert und in einer Endstellung auch in Kontakt mit dem Anschlag gelangt.
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Aus der
DE 3305092 C2 ist ein Druckregelventil für pneumatische und hydraulische Druckmittel bekannt, das aus einem Gehäuse mit Primäranschluss, Sekundäranschluss und Entlastungsanschluss, einem im Gehäuse angeordneten Schaltventil, das aus einem einen Ventilteller tragenden Ventilkolben und aus seinem gehäusefesten Ventilsitz zwischen Primäranschluss und Sekundäranschluss besteht. Das Schaltventil öffnet mit dem Primärdruck. Der Ventilkolben ragt durch den Ventilsitz. Der Ventilteller des Entlastungsventils ist durch die Kraft eines Regelmagneten beaufschlagbar. Ein mit einem Steuerkolben versehener Steueranschluss für die Rückführung einer Regelgröße vorhanden ist, Der Steuerkolben ist mit dem Ventilteller des Entlastungsventils über einen Stößel fest verbunden. Der Stößel erstreckt sich durch den hohlen Ventilkolben des Schaltventils sowie durch eine Bohrung im Ventilteller des Schaltventils hindurch. Das vom Schaltventil abgewandte Ende des hohlen Ventilkolbens bildet einen Ventilsitz für den Ventilteller des Entlastungsventils.
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Aus der
DE 20 2004 003 860 U1 ist ein pneumatisches Druckregelventil bekannt, das im Verlauf einer Gasleitung angeordnet ist, deren Durchlass mittels des Druckregelventils in Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen einem oder mehreren an mindestens einem Eingang des Druckregelventils anliegenden Gasdrücken selbsttätig veränderbar ist. Dabei ist im Druckregelventil eine Stellmembran vorgesehen, die einerseits von einem Referenzdruck und andererseits von dem Gasdruck oder den Gasdrücken sowie von einer Regelfeder beaufschlagt ist. Durch Veränderung des Differenzdrucks zwischen den an die Stellmembran angrenzenden Bereichen wird die Stellmembran verstellt und die Stellmembran selbst oder ein von der Stellmembran betätigter Schließkörper vergrößert oder verkleinert den Durchlass durch einen Abströmquerschnitt des Druckregelventils. Dabei bildet eine an den Abströmquerschnitt membranseitig angrenzende Struktur des Druckregelventils einen Anschlag für die Stellmembran oder für den von der Stellmembran betätigten Schließkörper in deren Schließstellung. Im Druckregelventil ist mindestens ein Vor-Anschlag so angeordnet, dass bei Bewegung der Stellmembran in Schließrichtung die Stellmembran oder der von der Stellmembran betätigte Schließkörper zuerst in Kontakt mit dem Vor-Anschlag gelangt. Bei weiterer Bewegung der Stellmembran in Schließrichtung wird die Stellmembran oder der von der Stellmembran betätigte Schließkörper dann unter weiterer elastisch-flexibler Verformung den Durchlass weiter verkleinert und in einer Endstellung auch in Kontakt mit dem Anschlag gelangt.
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Die elastisch-flexible Verformung des Schließkörpers zieht langfristig eine bleibende plastische Verformung nach sich. Diese beeinflusst die Konstanz des Regeldrucks in nachteiliger Weise, da bereits kleine Veränderungen an der Vorspannung der Reglerfeder zu unzulässigen Abweichungen des eingestellten Regeldrucks führen. In besonders nachteiliger Weise bleiben diese unzulässigen Abweichungen zunächst verborgen und als Ursache wahrnehmbarer Störungen nachgeordneter Einrichtungen unerkannt.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 41 39 703 A1 offenbart einen Druckregler mit einer Membran, die sich auf ein federbelastetes Gegenlager abstützt.
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Dem
deutschen Patent 35 15 499 C2 ist ein elektropneumatischer Wandler nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip entnehmbar, bei dem die Prallplatte mit piezokeramischen Elementen zum Aktor ausgestaltet ist. Dabei wird der Ausgangsdruck durch die Stellung der Prallplatte vor der Düse gesteuert.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 24 40 395 A1 lehrt einen Kraft-Druck-Umformer mit einem Düse-Prallplatte-System, bei dem in Abhängigkeit von manuell vorgebbaren Eingangskraft ein proportionaler Ausgangsdruck eingestellt wird.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 16 73475 A1 ist ein elektro-pneumatischen Wandler zur Steuerung eines Flüssigkeitsdruckpegels bekannt, bei dem mittels eines Düse-Prallplatte-Systems aus einem elektrischen Stellsignal ein pneumatischer Zwischenkreis bedient wird, der über eine Ventilanordnung einen Flüssigkeitsdruckpegel steuert.
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Schließlich ist aus der nicht vorveröffentlichen deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 006 407 A1 ein pneumatisches Druckregelventil zur Druckregelung eines Steuerdrucks in einer Druckkammer mit einer Reglermembran bekannt, die von einer Reglerfeder und dem Steuerdruck im Kräftegleichgewicht gehalten wird, wobei die Reglermembran mit einem Steuerventil derart gekoppelt ist, dass das Steuerventil in Abhängigkeit vom tatsächlichen Steuerdruck öffnet oder schließt. Dabei ist das Steuerventil durch eine formstabile Kugel gebildet, die durch eine Feder belastet in einer sich in Richtung der Reglermembran verjüngenden konischen Bohrung in einer der Reglermembran bezüglich der Druckkammer gegenüberliegenden Gehäusewand sitzt, die Reglermembran im Kontaktbereich mit der Kugel eine Verstärkung aufweist und die Kugel der Bewegung der Reglermembran in ihrer Normalenrichtung folgt.
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Die bekannten elektropneumatischen Wandler, bestehend aus einem Druckregler und einem separaten, elektrisch angeregten Drucksteuerelement, bringen nachteiligerweise einen hohen Fertigungsaufwang mit sich und benötigen viel Einbauraum, der der Miniaturisierung entgegensteht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakten elektropneumatischen Wandler anzugeben, der einen einfachen Aufbau aufweist, mit geringem Aufwand zu fertigen ist und wenig Einbauraum beansprucht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einem pneumatischen Druckregelventil zur Regelung eines Steuerdrucks in einer Druckkammer mittels einer Reglermembran aus, die sich auf ein Gegenlager abstützt, wobei das Gegenlager mindestens eine Druckscheibe, eine Reglerfeder und eine Justierschraube umfasst, wobei die Reglermembran von der Reglerfeder und dem Steuerdruck im Kräftegleichgewicht gehalten wird. Die Reglermembran ist mit einem Steuerventil derart gekoppelt, dass das Steuerventil in Abhängigkeit vom tatsächlichen Steuerdruck öffnet oder schließt. Dabei ist das Steuerventil durch eine formstabile Kugel gebildet, die federbelastet in einer sich in Richtung der Reglermembran verjüngenden konischen Bohrung in einer der Reglermembran bezüglich der Druckkammer gegenüberliegenden, formstabilen Gehäusewand sitzt und die der Bewegung der Reglermembran in ihrer Normalenrichtung folgt.
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Erfindungsgemäß weist das Gegenlager einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator auf. Dabei ist insbesondere die Ausbildung der Druckscheibe oder der Reglerfeder oder die Lagerung der Justierschraube in einem Aktuator vorgesehen. Der Aktuator weist mindestens ein Piezoelement auf, das mindestens eine geometrische Dimension in Abhängigkeit von einer angelegten elektrischen Spannung ändert.
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Der Sollwert des Regeldrucks wird durch ein adäquates elektrisches Signal vorgegeben. In Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe nimmt das Gegenlager in Bezug auf das Steuerventil eine Position ein, die dem gewünschten Steuerdruck in der Druckkammer entspricht.
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Bei fallendem Steuerdruck in der Druckkammer drückt die Reglerfeder die Reglermembran gegen die Kugel und schiebt diese aus ihrem Sitz. Dabei wird das Steuerventil geöffnet und die Zufuhr ungeregelten Druckmittels freigegeben. Bei Erreichen des vorgegebenen Steuerdrucks weicht die Reglermembran gegen die Reglerfeder aus. Die Kraft der Feder drückt die Kugel in ihren Sitz und das Steuerventil wird geschlossen. Zur Änderung des Steuerdrucks wird die Spannung am jeweiligen Aktuator des Gegenlagers in Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe eingestellt.
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Vorteilhafterweise schafft die Erfindung einen kompakten elektropneumatischen Wandler, der einen einfachen Aufbau aufweist mit geringem Aufwand zu fertigen ist und durch die Dynamisierung bekannter statischer Elemente wenig Einbauraum beansprucht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Drucksensor vorgesehen, der vom tatsächlichen Steuerdruck beaufschlagt ist und in Abhängigkeit von dessen gemessenem Steuerdruck das den Aktuator des Gegenlagers steuernde elektrische Signal beeinflussbar ist.
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Vorteilhafterweise werden dadurch Ungenauigkeiten der Piezokeramik des Aktuators sowie Temperatureinflüsse und Hystereseeffekte wirksam eleminiert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines elektropneumatischen Wandlers
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2 eine Prinzipdarstellung der elektrischen Schaltung des elektropneumatischen Wandlers
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In der 1 ist ein elektropneumatischen Wandler 10 mit einem pneumatischen Druckregelventil in geschnittener Darstellung gezeigt. Das Druckregelventil weist eine Druckkammer 13 auf, die durch eine Reglermembran 11 und eine dieser gegenüberliegenden Gehäusewand 24 eingeschlossen ist.
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In der Gehäusewand 24 ist ein Steuerventil 20 angeordnet, das durch eine formstabile Kugel 21 gebildet ist, die durch eine Feder 22 belastet in einer sich in Richtung der Reglermembran 11 verjüngenden konischen Bohrung 23 sitzt. Der der Feder 22 zugewandten Seite der Kugel 21 ist das ungeregelte Druckmittel 31 zugeführt.
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Die Reglermembran 11 stützt sich kraftschlüssig auf eine Druckscheibe 15 ab, die mit einer rotationssymmetrischen Reglerfeder 12 verbunden ist. Die Reglerfeder 12 ist in ihrem Schwerpunkt auf eine Justierschraube 25 abgestützt.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckscheibe 15 als axial wirkender Aktuator ausgebildet. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Reglerfeder 12 als Biegeaktuator ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Druckscheibe 15 kraftschlüssig mit der Reglermembran 11 verbunden ist. In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist die Justierschraube 25 in einem axial wirkenden Aktuator gelagert. Dabei ist vorgesehen, dass der Aktuator mindestens ein Piezoelement aufweist, das dem vorgegebenen Sollwert des Steuerdrucks 32 entsprechend elektrisch angesteuert wird.
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Der Durchmesser der Kugel 21 steht zur Konizität der Bohrung 23 in einem Verhältnis, dass ein Kugelsegment der Kugel 21 in Richtung der Reglermembran 11 in die Druckkammer 13 hineinragt. Dabei liegt die Kugel 21 kraftschlüssig auf der Reglermembran 11 und wird direkt durch die Reglermembran 11 in Abhängigkeit vom Druck in der Druckkammer 13 betätigt.
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Die Reglermembran 11 ist im Bereich des Steuerventils 20 plastisch verstärkt. In einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Reglermembran 11 im Bereich des Steuerventil 20 eine größere Materialstärke als an ihrem Rand aufweist. In einer alternativen Ausführungsform ist Reglermembran 11 im Bereich des Steuerventil 20 durch eine feste Platte verstärkt. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist diese Platte durch eine Metallplatte 14 gebildet. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für weiche Reglermembranen 11 zur Regelung geringer Steuerdrücke 32.
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Vorzugsweise ist die Metallplatte 14 auf der der Druckkammer 13 zugewandten Seite der Reglermembran 11 angeordnet. Dabei liegt die Kugel 21 des Steuerventils 20 auf der Metallplatte 14 der Reglermembran 11 auf. Dadurch werden Beschädigungen der Reglermembran 11 vermieden und die Konstanz des Steuerdruckes 32 erreicht.
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Bei fallendem Steuerdruck in der Druckkammer 13 drückt die Reglerfeder 12 die Reglermembran 11 gegen die Kugel 21 und schiebt diese aus ihrem Sitz. Dabei wird das Steuerventil 20 geöffnet und die Zufuhr ungeregelten Druckmittels 31 freigegeben. Bei Erreichen des Steuerdrucks 32 weicht die Reglermembran 11 gegen die Reglerfeder 12 aus. Die Kraft der Feder 22 drückt die Kugel 21 in ihren Sitz und das Steuerventil 20 wird geschlossen. Mit der Justierschraube 25 ist der korrekte Steuerdruck 32 voreinstellbar.
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In der 2 ist die elektrischen Schaltung des elektropneumatischen Wandlers prinzipiell dargestellt. Der dem elektropneumatischen Wandler 10 elektrisch zugeleitete Sollwert 43 wird in einem Signalverarbeitungsmittel 41 aufbereitet und dem jeweiligen Aktuator 12, 15, 25 zugeführt.
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Mit einem Drucksensor 42 wird der tatsächliche Steuerdruck 32 gemessen. Der Drucksensor 42 ist mit dem Signalverarbeitungsmittel 41 verbunden. In Abhängigkeit von dem gemessenen Steuerdruck 32 wird das den als Aktuator wirkenden Stellgliedern 12, 15, 25 des Gegenlagers steuernde elektrische Signal mittels des Signalverarbeitungsmittels 41 beeinflusst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektropneumatischer Wandler
- 11
- Reglermembran
- 12
- Reglerfeder
- 13
- Druckkammer
- 14
- Verstärkung
- 15
- Druckscheibe
- 20
- Steuerventil
- 21
- Kugel
- 22
- Feder
- 23
- Bohrung
- 24
- Gehäusewand
- 25
- Justierschraube
- 31
- ungeregeltes Druckmittel
- 32
- geregelter Steuerdruck
- 41
- Signalverarbeitungsmittel
- 42
- Drucksensor
- 43
- Sollwert