CH646230A5 - Signalwandler fuer ein pneumatisches steuersystem. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Signalwandler für ein pneumatisches Steuersystem zum Umwandeln eines am Eingang des Wandlers zugeführten elektrischen Steuersignals (I) in ein am Ausgang des Wandlers erscheinendes pneumatisches Signal (P), dessen Wert dem Steuersignalwert proportional ist, bestehend aus einem zungenförmigen piezoelektrischen Element (6), an welches eine vom Steuersignal (I) abhängige Spannung so anlegbar ist, dass das Element (6) eine sich in Abhängigkeit von der Spannung ändernde seitliche Biegebewegung ausführt, eine pneumatische Leitung (1) mit einer Kammer (la), die über eine Drossel (4) mit Druckluft versorgt wird, steht mit einer Düse (3) in Verbindung, die sich in der Nähe der einen Seite des piezoelektrischen Elementes (6) befindet, so dass der Luftdruck in der Kammer (la) mit dem piezoelektrischen Element (6) als Funktion der Spannung geregelt wird, und eine von der Kammer (la) abgehende Auslassleitung (5), die den geregelten Luftdruck als pneumatisches Signal (P) führt zum Anschluss an das Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auslassleitung (5) ein Druckübertrager (7) verbunden ist, der ein dem geregelten Luftdruck entsprechendes elektrisches Signal (T) erzeugt und über einen Rückkopplungskreis mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist, dass der Eingang des Wandlers Schaltungsteile (9,11; 12) enthält, die das elektrische Steuersignal (I) und das rückgekoppelte elektrische Signal empfangen, dass in einem Schaltungsteil (9) ein Differenzsignal durch Vergleich der beiden Signale erzeugt wird und dass in einem weiteren Schaltungsteil (11) das Differenzsignal integriert wird, um danach aus dem integrierten Differenzsignal die Spannung abzuleiten, mit der das piezoelektrische Element (6) beaufschlagt wird, so dass das pneumatische Signal (P) in der Auslassleitung (5) dem elektrischen Steuersignal (I) folgt.

Die Erfindung betrifft einen Signalwandler für ein pneumatisches Steuersystem zum Umwandeln eines am Eingang des Wandlers zugeführten elektrischen Steuersignals in ein am Ausgang des Wandlers erscheinendes pneumatisches Signal, dessen Wert dem Steuersignalwert proportional ist, bestehend aus einem zungenförmigen piezoelektrischen Element, an welches eine vom Steuersignal abhängige Spannung so anlegbar ist, dass das piezoelektrische Element eine sich mit der Spannung ändernde seitliche Biegebewegung ausführt, eine pneumatische Leitung mit einer Kammer, die über eine Drossel mit Druckluft versorgt wird, steht mit einer Düse in Verbindung, die sich in der Nähe der einen Seite des piezoelektrischen Elementes befindet, so dass der Luftdruck in der Kammer mit dem piezoelektrischen Element als Funktion der Spannung geregelt wird, und eine von der Kammer abgehende Ausgangsleitung, die den geregelten Luftdruck als pneumatisches Signal führt zum Anschluss an das Steuersystem.

In der schwedischen Offenlegungsschrift 322 989 (mit Priorität aus der USA-Anmeldung 588 057) ist ein solcher Signalwandler ausführlicher beschrieben, welcher aus einer Kammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung besteht. Eine Druckmittelquelle, mit der in der Kammer ein Druck erhalten wird, ist mit der Einlassöffnung verbunden. In der Nähe einer dieser Öffnungen befindet sich eine elektrisch betätigte piezoelektrische Zunge. Ja nach der Grösse und der Polarität des Steuersignals kann man die Zunge zur Öffnung hin und von ihr fortbewegen, um hierdurch den Druck in der Kammer zu beeinflussen. Ein dem Steuersignal zugeordneter Druckmittelwert wird von diesem Druck abgeleitet. Gemäss der Offenlegungsschrift wird an der Zunge mit einem Rückkopplungskreis eine äussere Kraft erzeugt. Das Kraftniveau ist dem Druckniveau der Kammer zugeordnet und soll entgegengesetzt zu der vom Steuersignal verursachten Biegung der Zunge wirken. Der Zweck liegt in diesem Falle darin, die Biegung der Zunge so zu beschränken, dass die vom Steuersignal erzeugte Biegekraft gegen den Strömungsmitteldruck ausgeglichen wird. Die Anordnung arbeitet daher nach dem Kraftausgleichsprinzip, d.h. der Strömungsmitteldruck ist als Funktion des elektrischen Steuersignals abhängig von der piezoelektrischen Biegekraft. Demzufolge beeinflussen Faktoren, wie Temperaturabhängigkeit, Nichtlinearitätund Hysterese der piezoelektrischen Zunge, wie auch die Langzeitinstabilität der Biegekräfte als Funktion des elektrischen Steuersignals, die Genauigkeit der Umwandlung eines elektrischen Steuersignals in einen Strömungsmittel-Druckwert. Daraus folgt, dass Schwankungen des Speisedruckes aus der Druckmittelquelle nicht vollständig kompensiert werden, sondern dass der Kompensationsvorgang durch die vorerwähnten Faktoren beeinflusst wird.

Die von den piezoelektrischen Kristallen der Zunge herrührende Temperaturabhängigkeit und die Schwierigkeiten bei der Herstellung einer guten Bindung zwischen den Kristallen führt zu einem Fehler in der Grössenordnung von 0,05 bis 0,5% je °C. Hystereseerscheinungen, d.h. dass die Zunge für ein und denselben Steuersignalwert unterschiedliche Biegungen ausführt, je nachdem dieser Wert eine Vergrösserung oder Verminderung des Steuersignalwertes mit sich bringt, können bis etwa 20% ausmachen und es kann bis zu 20 Stunden dauern, bis die Zunge für einen speziellen Steuersignalwert eine gleichförmige, stabile Biegelage erreicht. Die Langzeitstabilität hängt ebenfalls von der mechanischen Zusammensetzung der Ziinge ab. Fehler aufgrund einer unzureichenden Langzeitstabilität lassen sich schwer von durch Hysterese verursachten Fehlern trennen.

Vor allem die Verarbeitungsindustrie benötigt Anordnungen, die es möglich machen, Umwandlungen der vorerwähnten Art mit einer sehr hohen Genauigkeit durchzuführen; mit den bisher bekannt gewordenen Anordnungen war es jedoch nur möglich, den Einfluss der erwähnten Faktoren zu vermindern, so dass daher kein angemessen hoher Genauigkeitsgrad erreicht worden ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Signalwandlers der in der Einleitung beschriebenen Art, mit dem es möglich ist, ein elektrisches Steuersignal mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad in einen entsprechenden pneumatischen Druckwert umzusetzen, ohne dass dabei die vorerwähnten Nachteile auftreten; dies erreicht man dadurch, dass der Signalwandler Merkmale aufweist, die in dem beigefügten Patentanspruch angegeben sind.

In der französischen Patentschrift 1 183 778 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln eines elektrischen Signals in eine Kolbenverschiebung beschrieben. Diese Schrift hat daher keinen Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein elektrisches in ein pneumatisches Signal umgewandelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise als Rechteckdiagramm dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Signalwandlers zum Umwandeln eines elektrischen Steuersignals in einen entsprechenden pneumatischen Druckwert, d.h. eines sogenannten I/P-Wandlers,

Fig. 2 ein Rechteckdiagramm einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Signalwandlers.

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In der Zeichnung ist eine mit einer Druckluftquelle 2 verbundene Leitung 1 an eine Düse 3 angeschlossen. Zwischen der Druckquelle 2 und der Düse 3 enthält die Anordnung eine Drossel 4 und einen Druckluftauslass 5. Mit Hilfe der Druckquelle wird in einer Kammer la zwischen der Düse 3 und der Drossel 4 in der Leitung 1 ein pneumatischer Druck erzeugt. In der Nähe der Düse 3 ist ein piezoelektrisches Element 6 angeordnet; dieses spricht auf die Einwirkung elektrischer Signale an und ist an ihrem von der Düse abgelegenen Ende fest eingespannt. Die Seite des Elementes 6, die der Düse 3 am nächsten liegt, ist so ausgebildet, dass zwischen dem Element und der Düse, an der die Luft austreten kann, ein Spalt entsteht. Unter dem Einfluss der elektrischen Signale kann sich das Element 6 je nach Grösse und Polarität des Signals zur Düse 3 hin und von ihr fort bewegen, so dass hierdurch der Spalt zwischen dem Element und der Düse vermindert oder vergrössert wird. Die an der Düse austretende Luftströmung kann auf diese Weise beeinflusst werden und es wird damit auch der pneumatische Druck in der Kammer la und am Druckluftauslass 5 geregelt. Dieser Druck, den man als Steuerdruck für einen pneumatischen Verstärker oder eine Zylinder-Kolben-Anordnung verwenden kann, ist in der Zeichnung mit P bezeichnet. Wenn keine sonstigen Massnahmen getroffen werden und man den Luftdruck auf diese Weise regelt, wird die Genauigkeit, wie in der Einleitung erläutert, negativ durch eine Anzahl von Faktoren beeinflusst.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist zur Überwachung des pneumatischen Druckes in der Leitung gemäss der Erfindung der Druckauslass 5 mit einem Druckübertrager 7 verbunden. Der Druckübertrager 7 ist so ausgebildet, dass er ein elektrisches Signal T erzeugt, welches dem Steuerdruck entspricht. Das Signal T wird dem einen Signaleingang 8 eines Komparators 9 zugeführt, dessen anderer Eingang 10 das nachfolgend mit I bezeichnete elektrische Steuersignal empfängt, das in einen pneumatischen Druckwert umgewandelt werden soll. Der Komparator 9 ist so ausgelegt, dass er die Signale T und I vergleicht und ein deren Differenz entsprechendes Differenzsignal erzeugt. Dieses wird einem Integrator 11 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Spannung ist, die auf das piezoelektrische Element 6 einwirkt. Der Integrator 11 ist vorzugsweise ein integrierender Verstärker, dessen Ausgangssignal dem Zeitintegral des dem Integrator zugeführten Differenz-

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signais entspricht. Dies heisst, dass selbst kleine Differenzsignale einer bestimmten Dauer zu Ausgangssignalen am Integrator 11 führen, die die gleiche Grössenordnung haben wie grössere aber kürzere Differenzsignale.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet als I/P-Wandler in einem geschlossenen Kreis wie folgt: Je nach Grösse und Polarität der Differenzsignale bewegt sich das Element 6 in der vorbeschriebenen Weise entweder von der Düse 3 fort oder zu ihr hin, wodurch der Spalt zwischen dem Element und der Düse vergrössert oder vermindert wird, so dass der pneumatische Druck in der Kammer 1 a und damit auch der pneumatische Druckwert P und das Signal T geändert werden. Offensichtlich ist es möglich, die Steuerschaltung mit solchen Kenndaten zu versehen, dass der pneumatische Druckwert P sehr genau dem Signal I entspricht. Die Charakteristika des piezoelektrischen Elementes 6 oder Schwankungen des Speisedruckes aus der Druckquelle 2 beeinflussen die Genauigkeit des Wandlers nicht, da diese nur von der Genauigkeit des Druckübertragers 7 abhängt.

Der Komparator 9 und der Integrator 11 entsprechen in ihrer Funktion einem Proportional-Integral-Wandler, d.h. einem P/I-Wandler. Fig. 2 zeigt bei 12 einen solchen P/I-Wandler. Diese Figur zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemässen I/P-Wandlers mit einem Strömungsmittelverstärker, welcher mit dem Druckauslass 5 verbunden ist. Der Verstärker 13 empfängt über eine Leitung 14 den Druck aus der Druckquelle 2 und hat die Aufgabe, eine verstärkte Luftströmung und/oder einen ver-grösserten Druckwert in der Auslassleitung 5 zu erzeugen, wenn die Luftströmung über die Drossel 4 unzureichend ist. Der Druckübertrager 7 ist mit dem Auslass 15 des Verstärkers verbunden, der auch den Ausgang des I/P-Wandlers bildet, d.h. der dem Signal I entsprechende pneumatische Druck wird als Arbeitsdruck am Auslass 15 abgenommen. Der Arbeitsdruck kann beispielsweise der Lageeinstellung einer Zylinder-Kolben-Anordnung dienen, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Es ist offensichtlich, dass der erfindungs-gemässe Signalwandler innerhalb des Rahmens der Erfindung vielfältig abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann das piezoelektrische Element 6 so angeordnet werden, dass es sich unter dem Einfluss des Steuersignals nur in einer Richtung, d.h. entweder von der Düse 3 fort oder zur Düse 3 hin bewegt.

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1 Blatt Zeichnungen