CH654087A5 - Lineargesteuerte durchflussvorrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lineargesteuerte Durchflussvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruches. Der vorgesehene offene Bereich eines Fluiddurchlasses, der durch ein Drosselklappenventil, ein Kugelventil oder ^uf andere Weise beeinflusst wird, bestimmt den Durchsatz oder die Grösse des Durchflusses unter Standardbedingungen, und es ist bekannt, dass die Beziehung zwischen den Winkelverstellungen des Ventilschaftes und dem darauf bezogenen Fluid-durchfluss bei solchen Ventil nicht linear ist. In manchen Fällen kann die Formgebung der Ventilteile und/oder der Ventilsitze eine Öffnungsveränderung des Querschnitts annähernd linear zum Drehwinkel der Ventilteile erreichen, und diese lineare Beziehung ermöglicht es der zugehörigen elektrischen Steuerung, einen Servomotor zur Betätigung des Ventilteils mit im wesentlichen konstanter erwünschter Übergangsfunktion und Auflösung anzutreiben. Wenn solche Massnahmen nicht ergriffen werden, kann sich die ausgelegte Durchflussvorrichtung als unstabil erweisen. Beispielsweise ergibt eine bestimmte Winkelverstellung bei dem sich gerade öffnenden Ventil eine bedeutend grössere Auswirkung auf den Durchfluss als die gleichgrosse Winkelverstellung bei fast vollständig geöffnetem Ventil. Wenn die elektrische Steuerung selbst solche Unterschiede ausgleichen soll, muss sie mit einer Verstärkung mit angemessener Veränderung ausgelegt werden; alternativ kann mit einem Bauelement mit unterschiedlichem Untersetzungsverhältnis eine mechanische Annäherung eines solchen veränderbaren Verstärkungsfaktors versucht werden.

Dabei wurde festgestellt, dass sich die Querschnittsöffnung und der entsprechende Durchfluss durch ein Klappen- oder ähnliches Ventil wie eine Funktion (l-cos0) der Winkelstellung 0 des Ventilteils verhalten, und ein ausgleichender Cosinus-Generatormechanismus wird zwischen den Antrieb und die Ventilwelle eingesetzt, um die Beziehungen zwischen den Verstell-Eingangssignalen und den sich ergebenden Durchflussänderungen zu linearisieren. In einer Ausführung wird eine elektrische Steuerung verwendet, die in Abhängigkeit von einem erfassten Zustand (wie Durchfluss, Druck oder Temperatur) arbeitet und ein darauf bezogenes Steuersignal an einen Elektromotor angibt, der in Antriebsbeziehung zum Schaft eines den Durchfluss steuernden Klappenventils über einen Linearisierungsmechanismus steht, wodurch die Antriebsdrehung eine Nicht-Linearität zeigt, die die nichtlineare Ventilverstellung ausgleicht. Ein für die erforderliche Übersetzung der Winkelbewegungen gut geeigneter Funktionsgenerator-Mechanismus umfasst eine in kämmendem Eingriff mit einem auf dem Ventilschaft befestigten Ritzel stehende verschiebbare Zahnstange, die über eine Nocke betätigt wird, um eine Gleitgrösse zu erreichen, die in einer (l-cos0)-Funktionsbeziehung mit den Winkelausschlägen der Abgabewelle des Antriebsmotors zwischen 0 und 90° steht. Ein Winkelarm, der durch die Motorwelle eine Vierteldrehung (90°) erfährt und eine Nockenrolle an seinem äusseren Ende trägt, die in einem quer zur Zahnstange liegenden Schlitz gefangen ist, ergibt bequemerweise die erwünschte Funktionsbeziehung.

Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte lineargesteuerte Durchflussvorrichtung zu schaffen, bei der eine im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion mittels des Antriebs eines nicht-linearen Ventils über einen unkomplizierten Funktionsgenerator-Mechanismus bewirkt wird, der einen Ausgleich der Nichtlinearität schafft.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, neuartige Betätigungsglieder für Klappen- und ähnliche Ventile zu schaffen, in denen eine Zahnstangen/Ritzel-Anordnung und eine zugehörige Nockenanordnung mit kostengünstigem Aufbau

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s

10

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25

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einen Cosinus-Generatormechanismus bilden, der die Steuerungseigenschaften vorteilhaft linearisiert.

Diese Aufgaben sind erfindungsgemäss mit den Merkmalen im Kennzeichnungsteil des ersten Anspruches gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 zusammenwirkende Teile einer Durchflussvorrichtung zur Entwicklung einer im wesentlichen konstanten Übertragungsfunktion bezüglich der Steuerung von Fluid-strömung durch ein Klappenventil, wobei Winkel und Parameter eingetragen sind, die zum Verständnis des Linearisierungseffekts beitragen.

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung von Bestandteilen einer linearisierten Durchflussvorrichtung bei dem das Ventil eine kompakte Anordnung eines Cosinus-Funktionsmechanismus' und eines Antriebs-Schrittmotors trägt, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Winkelstellungen des Antriebsmotors und dem Verhältnis des Ventildurchsatzes zu seiner Änderungsgrösse, bezogen auf die Winkelstellung bei der Durchflussvorrichtung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer linearen Ventilsteuerung für Fluide mit einem Drehklappenventil mit einer Drehklappe 4, bei dem eine an einem Schlitten oder Gleitteil 6 angebrachte, mit einem Ritzel 7 in Kämmeingriff stehende Zahnstange vorgesehen ist. Das Ritzel 7 dreht über eine Verbindung 7a gleichlaufend den Ventilschaft 4a und damit das Klappenteil 4. In bekannter Weise ist eine elektrische Steuerung 8 vorgesehen, die in Abhängigkeit von einem erfassten Zustand, beispielsweise dem Druck, dem Durchfluss oder der Temperatur arbeitet, wobei diese Werte mit dem Durchfluss durch die mit einem Ventil versehene Leitung 9 verbunden sind. Die Steuerung 8 gibt zugehörige elektrische Steuersignale an einen Servomotor 10 über eine Eingabeverbindung 11 ab und es ist üblich, die Motorabgabewelle 12 direkt mit der Ventilwelle 4a zu verbinden, so dass die Drehstellung des Motors und die Drehstellung der Ventilklappe 4 direkt miteinander verbunden sind, um so den Fluiddurchfluss 13 zu ändern. Der Durchsatz T eines Klappenventils, der im wesentlichen direkt proportional dem freigegebenen Querschnitt entspricht, hängt jedoch nicht linear von der Winkelstellung 0i des Klappenteils 4 ab und, wenn auf diese Weise eine direkte Verbindung der Welle 4a mit der Servomotorwelle 12 hergestellt ist, wirkt sich diese Nichtlinearität auf die angestrebte Steuerung aus, falls nicht die Verstärkung und die Vorgabe der Steuerung für jeden Betriebszustand richtig eingestellt wird. Wenn beispielsweise die System-«Auflö-sung» betrachtet wird, ergibt sich durch die genannte Nichtlinearität eine grosse Durchflussänderung pro Schrittwinkel der Ventilklappenstellung bei fast geschlossener Ventilklappe, während sich nur eine relativ kleine Änderung des Durchflusses pro Schrittwinkel bei fast voll geöffneter Klappe ergibt.

In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1, dass beobachtet werden kann, dass die projizierte Öffnung T eine (l-cos©i)-Funktion der Winkelstellung des Klappenteils 4 ist, gemäss der folgenden Entwicklung:

Es sei angenommen dass B + T = 1, bzw. 1 - T = B, so ergibt sich B = cos ©i, und 1 - T = cos 0i, undT = 1 -cos0i.

Der gemäss Fig. 1 zwischen dem Motor 10 und dem Ventil-s schaft 4a eingesetzte Mechanismus beachtet diese Beziehung und gleicht auf mechanische Weise dieses Nichtlinearitäts-problem aus. Zunächst ist mit dem Motor verbunden eine mechanisches Gestänge, das eine ausgleichende Cosinus-Funktion einführt. Zu diesem Zweck ist ein Winkelarm 14 vorgesehen, der im Uhrzeigersinn mindestens eine Vierteldrehung von der dargestellten Lage aus, von der Motorabgabewelle 12 angetrieben, ausführen kann, und dieser lässt sein äusseres Ende einen effektiven geradelinigen Abstand, der seinem Winkelarm-Radius entspricht, in nicht-linearer Weise durchlaufen. An diesem äusseren Ende des Hebelarmes 14 ist ein Rädchen 14a angebracht, das in einem querliegenden Nockenschlitz 6a in dem Schiebeteil 6 gefangen ist, so dass eine Winkelbewegung des Hebelarmes in eine erwünschte, nichtlineare gerade Bewegung des Schiebeteils 6 übersetzt wird. Das Schiebeteil 6 wird an einem Führungsstab 15 gestützt und geleitet, so dass es die durch den Pfeil 16 bezeichneten Bewegungen entsprechend der Drehung der Motorabgabewelle 12 ausführen kann, und diese Bewegungen werden wiederum in eine Drehung des Ritzels 7 und des damit verbundenen Ventilschaftes 4a durch eine an einer Kante des Schiebeteils 6 angebrachten Verzahnung 5 übertragen. Die gestrichelt eingezeichnete Stellung 17 des Schlitzes 6a bei einer Drehung der Motorwelle 12 um 90° zeigt zusammen mit dem gestrichelt eingezeichneten Umriss 18 des Gleitteils 6 die so Lage an, die bei grösstem Regelausschlag des Motors 10 eingenommen wird. Eine Feder 19 hält die Verzahnungs- und Nockenelemente miteinander in Eingriff und verhindert ein Spiel im Mechanismus. Die Winkelverstellung ©i des Ritzels 7, die gleich der Winkelverstellung ©i des Ventilklappenteils 3s 4 ist, steht nun in einer Cosinus-Funktionsbeziehung zur Winkelverstellung ©2 der Abgabewelle 12 des Servomotors 10 in folgender Weise:

Es sei angenommen, dass A + C = 1, dann ergibt sich A = 4» 1 - C = cos©2 und damit 1 - cos ©2 = C = ©ik.

Wird der Mechanismus so aufgebaut, dass k = 1/90°, so folgt(1 -COS02)- 90° = 0i.

Wenn dieser Wert für ©1 in die vorher entwickelte «Durch-satz»-Gleichung T = 1 - cos0i eingesetzt wird, so ergibt sich

45

T=l-cos[(l-cos ©2> 90°],

und die Änderungsrate des Durchsatzes T, bezogen auf den 50 Motorwellen-Drehwinkel ©2 wird:

^0^ = sin [90° • ( 1 -cos©2)] • sin® 2.

55

Die entsprechenden Werte sind in der folgenden Wertetabelle festgehalten in Abhängigkeit von dem Motorwellen-Drehwinkel ©2, wobei die Werte in der Tabelle auf einen Durchfluss von 100% = 1 normalisiert sind:

15

20

©2° (1-COS02) x90° sin sin ©2 cos[(l-cos©2)x90°] T dT T

d©2 dT

d©2

0°

0

0°

0

0

1

0

0

0

5°

0,0038

0,34°

0,00598

0,087

0,99998

0,000018

0,00052

0,034

10°

0,015

1,35°

0,0236

0,174

0,99972

0,00028

0,0041

0,068

20°

0,0603

5,43°

0,0946

0,342

0,9955

0,0045

0,032

0,138

654087

4

©2°

(1-COS02)

x90°

sin sin 02

COS [(1-COS02)X9O°]

T

dT d©2

T dT d©2

30°

0,134

12,1°

0,2089

0,500

0,978

0,022

0,105

0,21

40°

0,2339

21,1°

0,359

0,642

0,933

0,067

0,231

0,29

50°

0,357

32,2°

0,532

0,766

0,847

0,153

0,408

0,38

60°

0,500

45°

0,707

0,866

0,707

0,293

0,612

0,48

70°

0,658

59,2°

0,859

0,939

0,512

0,49

0,81

0,61

80°

0,826

74,4°

0,963

0,985

0,269

0,73

0,95

0,77

90°

1

90°

1

1

0

1

1

1

T/

Die in der letzten Spalte stehenden Werte dT

d©2

sind in Fig. 3 über dem Motorwellen-Drehwinkel ©2 aufgetragen und man sieht, dass sich die erwünschte, im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion für die aufgetragene Kurve 20 im grössten und kritischsten Teil des Betriebsbereichs ergibt.

In Fig. 2 ist eine praktische Auslegung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dargestellt. Der Schrittmotor 10' zur Ausführung des linearisierten Antriebs ist mit Reduzierungsteilen zusammengebaut und erhält seine Ansteuersignale von einer elektrischen Steuerung 8' über eine Impusleitung 11', so das er genau bestimmte Winkelschritte zurücklegt. Unmittelbar unter dem Schrittmotor 10' befindet sich der Winkelarm oder Winkelhebel 14' mit seinem Eingriff im Gleitteil 6 ', jedoch ist hier die Zahnstange 5' unterhalb des Gleitteils, etwas von seinem Rand versetzt, angebracht und steht dort in

Kämmeingriff mit dem Ritzel 7', das mit der Verstellwelle 4a' für das Ventilklappenteil 4' fluchtet.

Es können auch andere Durchflussvorrichtungen, bei-20 spielsweise Stopfen- oder Kugelventile ähnliche nicht-lineare Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall können sie in gleichartiger Weise in bezug auf ihre Übertragungsfunktion und Auflösung linearisiert werden. Soweit unterschiedliche Steuereingriffe bei unterschiedlichen Ventilarten verlangt 25 werden, oder wenn eine grössere oder geringere Auflösung erwünscht ist, kann die Zahnstangen-Ritzelstufe durch Änderung des Untersetzungsverhältnisses entsprechend ausgelegt werden. Nicht gezeigte Mikroschalter können zur Unterbrechung der dem Motor zugeführten Steuersignale benutzt 30 werden, um ein Verklemmen des Ventils in einer Richtung bzw. bei voller Öffnung ein Überschiessen der Ventilbewegung (beim Klappenventil) zu verhindern. Es können auch statt der gezeigten Rollen-Nockenschlitzverbindung zur Erzeugung des Cosinus-Funktionsgenerator-Mechanismus 35 gleichwertige andere, aus Hebelarm und Eingriffsteil bestehende Vorrichtungen benutzt werden, um die Cosinus-funktionsartigen Bewegungen hervorzurufen.

1 Blatt Zeichnungen.

Claims (9)

654087 PATENTANSPRÜCHE

1. Lineargesteuerte Durchflussvorrichtung mit einer in einem Durchflussweg winkelabhängig einstellbaren Ventileinrichtung, die den Durchfluss im wesentlichen nach einer (l-cos0i)-Funktion der Winkelstellung (0i) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehbewegungen erzeugende Antriebseinrichtung (10) zur Winkeleinstellung der Ventileinrichtung (4) vorgesehen ist und ein mechanischer Cosinus-Funktionsgenerator-Mechanismus (5,6,6a, 7,14, 14a) zur Übersetzung der Drehbewegungen in Winkelstellungen vorgesehen ist, der die (l-cos©i)-Funktionsabhängig-keit der Ventileinrichtung (4) mindestens in einem Teil des Betriebsbereichs im wesentlichen ausgleicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus ein Gestänge mit einem in einem Radialabstand von der Achse (12) der Drehbewegungen angebrachten Abschnitt (14,14a) umfasst, wodurch ein Drehen des Abschnittes in bezug auf eine gegebene Stellung eine cosinusförmig verlaufende Vorschub- und Rückholbewegung des Abschnitts in bezug zu der Stellung ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus eine Einrichtung (5,6) zum Wandeln der Vorschub- und Rückholbewegung des Abschnitts in die Winkelstellung der Ventileinrichtung (4) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Gestänges als Teil eines die durch die Antriebseinrichtung (10) mitgeteilten Drehbewegungen ausführenden Winkelhebels (14) ausgebildet ist und dass die Wandlungseinrichtung ein mit dem Winkelhebel (14) über eine Verbindung (6a) verbundenes bewegliches Teil (6) zur Übertragung der relativen Winkelbewegung des Winkelhebels (14) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung einen Nockenschlitz (6a) in dem beweglichen Teil (6) enthält, der sich im wesentlichen parallel zu der Ebene der durch den Winkelhebel (14) überstrichenen Drehbewegung erstreckt, dass der Winkelhebel einen mit einer daran befestigten und in dem Nockenschlitz angeordneten Nockenrolle (14a) versehenen Arm (14) enthält, und dass das bewegliche Teil (6) in Richtung der cosinusförmig verlaufenden Vorschub- und Rückholbewegung (16) des Abschnitts gleitbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge eine mit dem beweglichen Teil (6) zusammen gleitbare Zahnstange (5) und ein durch die Zahnstange gedrehtes und die Ventileinrichtung drehendes Ritzel (7) umfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenschlitz im wesentlichen linear ist und in den beiden Endlagen des Vierteldrehungsweges des Nockenarmes quer zu diesem bzw. parallel zu diesem liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung ein in einem Durchflussweg (9) angeordnetes, winkelverstellbares Ventilteil (4) umfasst, das mit einer Verstellwelle (4a) verbunden ist und im wesentlichen eine Vierteldrehung von der Sperrausrichtung zur Maximal-Offenausrichtung zurücklegt und dadurch den Durchfluss durch den Durchlass im wesentlichen in der (l-cos0i)-Funktion der Winkelstellung (0i) des Ventilteils (4) steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Elektro-Servomotor (10) zur Erzeugung der Drehbewegungen in Abhängigkeit von daran anliegenden elektrischen Steuersignalen umfasst und dass das Ventil ein Drehklappenventil ist.