[0001] Die vorliegender Erfindung betrifft eine piezopneumatische Ventileinheit sowie einen
pneumatischen Stellungsregler mit einem pneumatischen Arbeitsglied und einer auf dieses
wirkenden piezopneumatischen Ventileinheit, welche zwei miteinander pneumatisch gekoppelte
piezopneumatische Ventile umfasst, wobei die Ventileinheit einen Signaleingang für
ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren
Versorgungseingang, einen an das pneumatische Arbeitsglied angeschlossenen Arbeitsausgang
und einen Entlüftungsausgang für das Arbeitsmedium (z.B. Luft) aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens
eines solchen pneumatischen Stellungsreglers bzw. einer solchen piezopneumatischen
Ventileinheit.
[0002] Solche Stellungsregler dienen in vorteilhafter Weise zur Verschiebung oder Verschwenkung
eines mit dem Arbeitsglied verbundenen Stellglieds, um hierdurch z.B. eine Ventil-
oder Klappenstellung zu regeln.
[0003] Gattungsgemäße Stellungsregler sind in der Regel so aufgebaut, dass das Arbeitsglied
bei einem Ausfall der elektrischen (Hilfs-)Energie in eine ausgewählte Endlage verfahren
wird, wobei die Endlage des Arbeitsglieds durch die konstruktiv vorgegebene strömungstechnische
Verschaltung der Ventile und deren Aufbau definiert ist. Stellungsregler mit unterschiedlichem
Fail-Safe-Verhalten sind daher insgesamt durch einen unterschiedlichen konstruktiven
Aufbau gekennzeichnet. Dies erweist sich insbesondere dann als aufwendig bzw. problematisch,
wenn in einem Produktsortiment mehrere Stellungsregler der eingangs genannten Art
mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten angeboten werden sollen oder wenn das Fail-Safe-Verhalten
eines bestimmten Stellungsreglers abgeändert werden soll.
[0004] Aus der
EP 0 822 344 A2 ist ein gattungsgemäßer Stellungsregler der eingangs genannten Art mit zwei pneumatisch
gekoppelten piezopneumatischen Ventilen bekannt, bei dem ein zusätzliches, den beiden
piezopneumatischen Ventilen ausgangsseitig nachgeschaltetes und dem pneumatischen
Arbeitsglied vorgeschaltetes Verblockventil vorgesehen ist, mit welchem im Sinne eines
definierten Fail-Safe-Verhaltens die Arbeitskammer des Arbeitsgliedes bei Ausfall
einer elektrischen Hilfsenergie verschlossen werden kann, so dass das Arbeitsglied
in diesem Fall in seiner letzten Stellung verbleibt. Auch dieser Stellungsregler,
der in nachteiliger Art auf ein zusätzliches Verblockventil angewiesen ist, erlaubt
wiederum nur ein bestimmtes, vordefiniertes Fail-Safe-Verhalten des dargestellten
Stellungsreglers.
[0005] Ferner ist aus dem US-Patent
US 5,362,141 ein nicht für pneumatische Anwendungen geeignetes Hydraulikventil bekannt, bei welchem
zwei verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze unter Anwendung einer irreversiblen
"Memory-Shape-Funktion", also nicht austauschbar, in ein Ventilgehäuse eingesetzt
sind.
[0006] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stellungsregler
bzw. eine piezopneumatische Ventileinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden,
dass er bzw. sie auf möglichst einfache und kostengünstig Art und Weise an ein spezielles
Fail-Safe-Verhalten anpassbar ist. Entsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung
ein auf möglichst einfache und kostengünstige Weise durchführbares Verfahren zur Einstellung
bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines solchen pneumatischen Stellungsreglers
bzw. einer solchen piezopneumatischen Ventileinheit bereitgestellt werden.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem pneumatischen Stellungsregler der eingangs genannten
Art durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
[0008] Dabei ist - neben den bereits eingangs genannten Merkmalen - erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Ventile jeweils ein Ventilgehäuse und einen in einen Aufnahmehohlraum des
betreffenden Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz
mit einer durchströmten Schalteinheit aufweisen, wobei der Ventilsitz und der mit
diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper
an der Schalteinheit des Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse
angeordnete Strömungskanäle dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum münden,
dass bei identischem Ventilgehäuse durch Austausch des Ventileinsatzes unterschiedliche
Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils realisierbar sind.
[0009] Im erfindungsgemäßen Sinne ist unter unterschiedlichen Funktionscharakteristiken
also insbesondere ein unterschiedliches Fail-Safe-Verhalten des betreffenden Ventils,
z.B. im Sinne eines vordefinierten Schaltzustands des Ventils, der sich bei Ausfall
der elektrischen Energie oder bei Druckabfall am Versorgungseingang des Stellungsreglers
einstellt, zu verstehen.
[0010] Zwei erfindungsgemäße pneumatische Stellungsregler mit verschiedenen Fail-Safe-Verhalten
unterscheiden sich somit ausschließlich dadurch, dass wenigstens einer der Aufnahmehohlräume
der beiden Ventilgehäuse des einen Stellungsreglers - gegenüber dem betreffenden Aufnahmehohlraum
des anderen Stellungsreglers - mit einem unterschiedlichen funktionsspezifischen Ventileinsatz
bestückt ist, was durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stellungsreglers erst
ermöglicht wird.
[0011] Insoweit ist zur möglichst einfachen Erzielung des gewünschten Erfolges also von
Bedeutung, dass die funktionsspezifischen Ventileinsätze derart in den Aufnahmehohlraum
des betreffenden Ventils einsetzbar sind, dass sie jeweils durch einen anderen funktionsspezifischen
Ventileinsatz austauschbar sind. Jeder Ventileinsatz weist dabei zumindest eine -
den Ventilsitz und den Ventilkörper des jeweiligen Ventils umfassende bzw. beinhaltende
- Schalteinheit auf, deren Strömungsanschlüsse bei bestimmungsgemäßer Montage in einem
Aufnahmehohlraum des Ventilgehäuses mit in den Aufnahmehohlraum mündenden Strömungskanälen
des Ventilgehäuses verbunden sind. Verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze
sind daher vorteilhaft durch eine unterschiedliche Verschaltung von Strömungskanälen
innerhalb der Schalteinheit bzw. eine unterschiedlichen Anordnung bzw. Lage von Ventilkörper
und Ventilsitz gekennzeichnet. Ferner ist im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen,
dass die von jedem Ventilgehäuse ausgebildeten Aufnahmehohlräume, die darin mündenden
Strömungskanäle sowie verschiedene funktionsspezifische Ventileinsätze derart aneinander
angepasst sind, dass zur Erzielung einer unterschiedlichen Funktionscharakteristik
des betreffenden Ventils in jedem Aufnahmehohlraum verschiedene funktionsspezifische
Ventileinsätze dichtend aufgenommen werden können.
[0012] Die Ventilgehäuse beider Ventile sind zusammen mit den in ihren Aufnahmehohlraum
mündenden Strömungskanälen bevorzugt insoweit identisch aufgebaut, dass ein funktionsspezifischer
Ventileinsatz gleichermaßen in jedem der beiden Ventilgehäuse verwendbar ist. Die
in beiden Ventilgehäusen vorgesehenen Strömungskanäle münden also bevorzugt jeweils
an gleicher Stelle in einen für beide Ventile identisch ausgestalteten Aufnahmehohlraum.
Durch bloßen Austausch eines ersten funktionsspezifischen Ventileinsatzes durch einen
zweiten funktionsspezifischen Ventileinsatz (anderer Bauart bzw. Funktion) lässt sich
damit die Funktionscharakteristik des betreffenden Ventils und hierüber im Ergebnis
das Fail-Safe-Verhalten des gesamten Stellungsreglers auf einfache Weise einstellen
bzw. abändern.
[0013] Vorteilhaft kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßer
Stellungsregler zwei verschiedene - je eine andere Funktionscharakteristik für das
damit bestücktes Ventil definierende - funktionsspezifische Ventileinsätze aufweist,
die in einer ersten Einbau-Konfiguration (Ventileinsatz A in Ventil I; Ventileinsatz
B in Ventil II) ein erstes Fail-Safe-Verhalten des Stellungsreglers definieren, während
sie in der zweiten möglichen Einbau-Konfiguration (Ventileinsatz B in Ventil I; Ventileinsatz
A in Ventil II) ein zweites Fail-Safe-Verhalten für den Stellungsregler definieren,
welches sich vom ersten Fail-Safe-Verhalten unterscheidet. Die beiden genannten Einbau-Konfigurationen
unterscheiden sich dabei lediglich durch eine Vertauschung der beiden funktionsspezifischen
Ventileinsätze.
[0014] Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch nicht nur die Umrüstung eines bestehenden
Stellungsreglers im Hinblick auf ein geändertes Fail-Safe-Verhalten erleichtert, sondern
es wird auch im Falle der Herstellung eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers, also
im Falle der Erstbestückung der betreffenden Aufnahmehohlräume mit funktionsspezifischen
Ventileinsätzen, eine besonders einfache Anpassung des Stellungsreglers an den gewünschten
Einsatzzweck erlaubt. Eine mit der vorliegenden Erfindung realisierbare Baureihe von
Stellungsreglern mit verschiedenem Fail-Safe-Verhalten ist daher durch einen - mit
Ausnahme der Ventileinsätze - identischen Aufbau aller Stellungsregler der Baureihe
gekennzeichnet.
[0015] Bei den verschiedenen Funktionscharakteristiken der beteiligten Ventile, die im Rahmen
der vorliegenden Erfindung durch verschiedene in das Gehäuse einzusetzende Ventileinsätze
realisiert werden, handelt es sich in besonders vorteilhafter Weise um eine erste
Funktionscharakteristik, bei der das betreffende Ventil im Falle eines Energieausfalls
selbsttätig in seine Schließstellung überführt wird (z.B. durch eine den Ventilkörper
in Richtung des Ventilsitzes vorspannende Feder), und eine zweite Funktionscharakteristik,
bei der das betreffende Ventil im Falle eines Energieausfalls selbsttätig in seine
Öffnungsstellung überführt wird (z.B. durch eine den Ventilkörper in seine vom Ventilsitz
beabstandete Öffnungsstellung vorspannende Feder). Es werden im Rahmen der vorliegenden
Erfindung also besonders bevorzugt wenigstens zwei verschiedene funktionsspezifische
Ventileinsätze bereitgestellt, die gleichermaßen in die Aufnahmehohlräume der Ventilgehäuse
beider Ventile einsetzbar sind und durch die funktionsspezifisch angepasste Ausgestaltung
ihrer Schalteinheit die vorstehend erwähnte Funktionalität bereitstellen.
[0016] Die zwei piezopneumatischen Ventile eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers werden
mittels geeigneter elektrischer Stellsignale auf piezoelektrische Weise separat betätigt,
wodurch gleichzeitig ein möglichst energieeffizienter Betrieb des Stellungsreglers
sichergestellt ist. Insoweit werden aus dem am Signaleingang des Stellungsreglers
eingehenden elektrischen Steuersignal unter Zuhilfenahme einer an eine Energieversorgung
angeschlossenen Steuer- bzw. Regelelektronik (z.B. eines Mikrocontrollers) auf geeignete
und bekannte Weise zwei verschiedene Stellsignale für die beiden Verstellantriebe
der beiden piezopneumatischen Ventile berechnet und entsprechend bereit gestellt.
[0017] Bezüglich des konkreten Aufbaus der piezopneumatischen Ventile sei auf die insoweit
aus dem Stand der Technik bekannten Arten piezopneumatischer Ventile verwiesen, wobei
im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einer ersten bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen ist, dass der Verstellantrieb in Form einer piezopneumatischen
Vorstufe, also in Form eines piezopneumatischen Pilotventils, welches mittelbar oder
unmittelbar auf den Ventilkörper einer nachgeschalteten Ventilstufe einwirkt, ausgeführt
ist.
[0018] Damit sind die (wenigstens) zwei Ventile eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers
in Art eines zweistufigen Ventils ausgebildet, bei dem das als Vorstufe dienende und
piezoelektrisch betätigbare Pilotventil, welches seinerseits mit einer Druckgasversorgung
verbunden ist, als (pneumatischer) Verstellantrieb für den Ventilkörper einer nachgeschalteten
Booster-Stufe (BoosterVentil) fungiert.
[0019] Pilotventil und Boosterventil können bevorzugt an die gleiche, am Versorgungseingang
des Stellungsreglers anliegende Druckgasversorgung angeschlossen sein, wobei dem Pilotventil
bevorzugt ein Druckbegrenzer vorgeschaltet ist, so dass etwaige Schwankungen des Drucks
in der Druckgasversorgung keinen oder einen deutlich verminderten Einfluss auf die
Stell- bzw. Antriebsfunktion des Pilotventils haben. Der in den Aufnahmehohlraum des
Ventilgehäuses eingesetzte Ventileinsatz umfasst somit die Schalteinheit des (Booster-)Ventils,
dessen Ventilkörper durch das als Vorstufe fungierende piezopneumatische Pilotventil
verstellt wird.
[0020] Ferner sei darauf hingewiesen, dass das pneumatische Arbeitsglied eines erfindungsgemäßen
Stellungsreglers Teil eines "einfach wirkenden" Systems mit einer - an den Arbeitsausgang
der piezopneumatischen Ventileinheit angeschlossenen - Arbeitskammer sein kann. Das
Arbeitglied wird hierbei bevorzugt mittels einer Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer
gegen die Kraft einer Feder verschoben. Die erfindungsgemäße Ventileinheit bildet
in diesem Fall ein 3/3-Wegesystem und weist hierfür zwei pneumatisch gekoppelte Ventile
auf.
[0021] Gleichfalls kommt für die vorliegende Erfindung jedoch in Betracht, dass das mittels
der Ventileinheit verstellbare Arbeitsglied Teil eines "doppelt wirkenden" Systems
ist, bei welchem auf das Arbeitsglied von verschiedenen Seiten zwei individuell mit
Druck beaufschlagbare Arbeitskammern zu dessen Verstellung einwirken. Es versteht
sich, dass die Ventileinheit eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers in diesem Fall
zwei getrennte Arbeitsausgänge für jede Arbeitskammer des Arbeitsglieds aufweist und
dass in einem solchen Fall insgesamt vier piezopneumatische Ventile vorzusehen sind,
von denen jeweils zwei Ventile pneumatisch miteinander gekoppelt und einem Arbeitsausgang
der Ventileinheit zugeordnet sind. Die Ventileinheit bildet hier ein 5/3-Wegesystem,
wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass jedes der vier Ventile einen - wie bereits
zuvor erläutert - austauschbar in einen Aufnahmehohlraum des jeweiligen Ventilgehäuses
dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz aufweist, wodurch die Funktionscharakteristik
jedes der vier Ventile und damit das Fail-Safe-Verhalten des Stellungsreglers in besonders
einfacher Weise an den gewünschten Einsatzzweck des Stellungsreglers anpassbar ist.
[0022] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in einer ersten Variante vorgesehen sein,
dass der Verstellantrieb jedes Ventils und die Schalteinheit des zugehörigen Ventileinsatzes
eine gemeinsame, als ganzes austauschbare Baugruppe bilden. Verschiedene funktionsspezifische
Ventileinsätze umfassen dann als austauschbare Baugruppe auch den Verstellantrieb
des betreffenden Ventils.
[0023] Alternativ hierzu kann in einer zweiten Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass
der Verstellantrieb jedes Ventils und die Schalteinheit des zugehörigen Ventileinsatzes
getrennte Baugruppen bilden, wodurch zur Erzielung einer verschiedenen Funktionscharakteristik
des betreffenden Ventils nur die Schalteinheit (mit Ventilkörper und Ventilsitz) des
Ventils, nicht jedoch der Verstellantrieb des betreffenden Ventils ausgetauscht werden
muss.
[0024] Beide vorgenannten Varianten können sich - je nach der konkreten Ausgestaltung des
Verstellantriebs und seiner Anbindung an den Ventilkörper - als vorteilhaft und einfacher
zu realisieren erweisen.
[0025] In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass
die die unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils bewirkenden
verschiedenen Ventileinsätze sich nur im Umfang der jeweiligen Schalteinheit unterscheiden,
wodurch insbesondere auch der Verstellantrieb zu verschiedenen funktionsspezifischen
Ventileinsätzen baugleich ausgestaltet sein kann.
[0026] Ferner ist im Rahmen einer abermals bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
vorgesehen, dass bei den Ventileinsätzen jeweils der auf den Ventilkörper einwirkende
Verstellantrieb und die Schalteinheit gastechnisch durch ein mittels einer Membran
von der Schalteinheit abgetrenntes pneumatisches Volumen entkoppelt sind, wodurch
eine Entkopplung der verstellantriebsseitig und schalteinheitsseitig vorherrschenden
Betriebsmedien und -drücke realisiert ist. Ferner kann mit einer solchen, bevorzugt
mit dem Ventilkörper der Schalteinheit gekoppelten Membran eine zusätzliche (Rückstell-)Kraft
auf den Ventilkörper ausgeübt werden, was eine selbsttätige Stabilisierung des Stellungsreglers
gegenüber kurzfristigen eingangs-, antriebs- oder ausgangseitige Druckschwankungen
befördert.
[0027] In besonders bevorzugter Art und Weise können die im Rahmen der vorliegenden Erfindung
vorgesehenen Ventilgehäuse der wenigstens zwei Ventile durch ein gemeinsames Ventilgehäuse
gebildet sein. Dabei bietet es sich zur Erzielung einer besonders kompakten und robusten
Bauweise insbesondere an, das gemeinsame Ventilgehäuse in Form eines - wenigstens
zwei Aufnahmehohlräume aufweisenden - Ventilgehäuseblocks mit mindestens einem Gehäusedeckel
auszubilden. Der wenigstens eine Gehäusedeckel verschließt bevorzugt die in dem Ventilgehäuseblock
vorgesehenen Aufnahmehohlräume für die Ventileinsätze, wodurch nach Abnahme des wenigstens
einen Gehäusedeckels bzw. vor dessen Montage ein geeigneter Zugang zu dem Aufnahmehohlraum
besteht. Besonders bevorzugt kann hierbei in einer nochmaligen Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, dass sich der jedem Ventil zugeordnete Aufnahmehohlraum jeweils sowohl
in den Ventilgehäuseblock als auch in den Deckel hinein erstreckt, wobei dann in nochmals
bevorzugter Weise vorgesehen sein kann, dass der einem Ventil zugeordnete Verstellantrieb
- zumindest teilweise - in dem in den Deckel hineinragenden Bereich des betreffenden
Aufnahmehohlraumes untergebracht ist. Durch Abnahme des Gehäusedeckels mitsamt dem
darin untergebrachten Verstellantrieb wird somit der Aufnahmehohlraum zum Einsatz
oder Austausch eines funktionsspezifischen Ventileinsatzes zugänglich.
[0028] Bezüglich der pneumatischen Kopplung der beiden Ventile und der Verschaltung der
Ventileinheit ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Arbeitsausgang der Ventileinheit
mit einem die beiden Aufnahmehohlräume miteinander verbindenden Strömungskanal kommuniziert,
d.h. mit diesem strömungstechnisch verbunden ist.
[0029] Obgleich die vorliegende Erfindung im vorstehend erläuterten Sinne zunächst einen
pneumatischen Stellungsregler betrifft, ist festzustellen, dass sich die zur Realisierung
des erfindungsgemäßen Erfolgs notwendigen Merkmale - beinahe ausschließlich - in der
beschriebenen Ausgestaltung der piezopneumatischen Ventileinheit manifestieren. Daher
ist es gerechtfertigt, die vorliegende Erfindung auch auf eine in Übereinstimmung
mit den vorgenannten Merkmalen ausgestaltete piezopneumatische Ventileinheit für einen
pneumatischen Stellungsregler zu beziehen. Eine solche erfindungsgemäße Ventileinheit
umfasst zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile, wobei die
Ventileinheit einen Signaleingang für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an
eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang, einen an das pneumatische
Arbeitsglied des Stellungsreglers anschließbaren Arbeitsausgang und einen Entlüftungsausgang
für das Arbeitsmedium aufweist. Die erfindungsgemäße Ventileinheit ist dabei ferner
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile jeweils ein Ventilgehäuse und einen in einen Aufnahmehohlraum des betreffenden
Ventilgehäuses dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen Ventileinsatz mit einer
durchströmten Schalteinheit aufweisen, wobei der Ventilsitz und der mit diesem zusammenwirkende,
mittels eines Verstellantriebs verstellbare Ventilkörper an der Schalteinheit des
Ventileinsatzes vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse angeordnete Strömungskanäle
dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum münden, dass bei identischem Ventilgehäuse
durch Austausch des Ventileinsatzes unterschiedliche Funktionscharakteristiken des
betreffenden Ventils realisierbar sind. Ersichtlich gelten bezüglich der Vorteile
einer solchen Ventileinheit wie auch bezüglich bevorzugter Weiterbildungen einer solchen
Ventileinheit alle vorstehend genannten Aspekte in gleicher Weise, so dass insoweit
zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei.
[0030] Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung das in Anspruch 14 beschriebene
Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines erfindungsgemäßen
pneumatischen Stellungsreglers bzw. einer erfindungsgemäßen piezopneumatischen Ventileinheit.
[0031] Ersichtlich gelten bezüglich der Vorteile dieses Verfahrens wie auch bezüglich bevorzugter
Weiterbildungen desselben alle vorstehend genannten Aspekte in gleicher Weise, so
dass insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen
verwiesen sei.
[0032] Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen pneumatischen
Stel- lungsreglers mit einer erfindungsgemäßen pie- zopneumatischen Ventileinheit,
- Fig. 2
- einen Schnitt durch den Gehäuseblock der in Fig. 1 dargestellten Ventileinheit,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch den Gehäuseblock der be- reits in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Ven- tileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch den Gehäuseblock eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfin-
dungsgemäßen Ventileinheit und
- Fig. 5
- einen Schnitt durch das Ventilgehäuse des in Fig. 2 links teilweise dargestellten
Ventils.
[0033] Der in Fig. 1 schematisch dargestellte pneumatische Stellungsregler 1 umfasst eine
erfindungsgemäße piezopneumatische Ventileinheit 2, die auf ein pneumatisches Arbeitsglied
3 einwirkt. An der Ventileinheit 2 ist ein an eine Druckgasversorgung anschließbarer
Versorgungseingang 4, ein mit dem Arbeitglied 3 verbundener Arbeitsausgang 5 sowie
ein mit der Atmosphäre verbundener oder geeignet gefasster Entlüftungsausgang 6 vorgesehen.
[0034] Das vorliegend als einfach wirkendes System ausgestaltete pneumatische Arbeitsglied
3 des pneumatischen Stellungsreglers 1 umfasst einen innerhalb eines Zylinders 7 gegen
die Kraft einer Feder 8 verschiebbaren Kolben 9, mit welchem z.B. eine - nicht dargestellte
- Klappe oder ein Ventil betätigt werden kann. Zur Verstellung des - prinzipiell auch
auf andere Weise ausgestaltbaren - pneumatischen Arbeitsgliedes 3 ist dessen Arbeitskammer
10 an dem Arbeitsausgang 5 der piezoelektrischen Ventileinheit 2 angeschlossen.
[0035] Die piezopneumatische Ventileinheit 2 umfasst ferner zwei piezopneumatische Ventile
11, 12, die pneumatisch miteinander gekoppelt und mit dem Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit
2 verbunden sind. Das links dargestellte Ventil 11 dient durch seine Verbindung mit
dem Versorgungseingang 4 der Ventileinheit 2 dem Druckaufbau in der Arbeitskammer
10 des Arbeitsglieds 3, während das rechts dargestellte Ventil 12 durch seine Verschaltung
mit dem Entlüftungsausgang 6 dem Druckabbau in der Arbeitskammer 10 dient.
[0036] Jedes der beiden Ventile 11, 12 weist genau einen funktionsspezifischen Ventileinsatz
13, 14 auf, wobei sich die Ventileinsätze 13, 14 hinsichtlich der funktionsspezifischen
Ausgestaltung ihrer jeweiligen Schalteinheit 15, 16 unterscheiden, wie dies den Fig.
1 und 2 zu entnehmen ist und weiter unten noch näher erläutert wird.
[0037] Die piezopneumatischen Ventile 11, 12 umfassen je eine als Verstellantrieb 17, 18
fungierende und für beide Ventile 11, 12 identisch ausgebildete piezopneumatischen
Vorstufe 19, 20, mit denen die jeweilige Schalteinheit 15, 16 (bzw. der darin angeordnete
Ventilkörper 21, 22; vgl. Fig. 2) betätigt wird, wie dies durch die gestrichelten
Pfeile 23, 24 angedeutet ist. Jedes piezopneumatische Pilotventil 19, 20 ist über
einen gemeinsamen Druckbegrenzer 25 eingangsseitig mit der am Versorgungseingang 4
der Ventileinheit 2 anliegenden Druckgasversorgung verbunden und wird über ein piezoelektrisches
Element 27, 28, das seinerseits mit einem elektrischen Regelschaltkreis in Form eines
programmierbaren Mikrocontrollers 26 verbunden ist, betätigt. Der Mikrocontroller
26 ist an den Signaleingang 29 für ein elektrisches Steuersignal sowie eine nicht
dargestellte elektrische Energie- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen. Er berechnet
abhängig von dem einen Sollwert für die Stellgröße repräsentierenden Steuersignal
und dem Istwert der Stellgröße geeignete Stellsignale für die beiden piezoelektrischen
Elemente 27, 28.
[0038] Als Stell- bzw. Regelgröße für den dargestellten Stellungsregler 1 kann beispielsweise
die am Arbeitsglied 3 mittels eines geeigneten Sensors üblicher Bauart bestimmbare
Lage des Kolbens 9 oder der mittels eines Drucksensors bestimmbare Druck in der Arbeitskammer
10 des Arbeitsglieds 3 bzw. am Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 dienen. Ein hierfür
zur Verwendung kommender und der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellter
Sensor ist bevorzugt ebenfalls mit dem Mikrocontroller verbunden, um aus dem vom Sensor
bestimmten Istwert der Stellgröße ein geeignetes Stellsignal für die Verstellantriebe
17, 18 der beiden piezopneumatischen Ventile 11, 12 zu berechnen.
[0039] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den gestrichelt angedeuteten Ventilgehäuseblock
30 der piezopneumatischen Ventileinheit 2 aus Fig. 1. Der einteilige Ventilgehäuseblock
30 bildet die beiden Ventilgehäuse 31, 32 zur Aufnahme der Ventileinsätze 13, 14 der
Ventile 11, 12 aus. Jeder Ventileinsatz 13, 14 ist in einem identischen Aufnahmehohlraum
33, 34 dichtend aufgenommen. In die Aufnahmehohlräume 33, 34 münden Strömungskanäle
35, 36, 37 derart, dass sie mit den Anschlüssen korrespondierender Strömungskanäle
der Schalteinheiten 15, 16 der Ventileinsätze 13, 14 verbunden sind. Die Ventile 11,
12 sind dabei über den Strömungskanal 36, der gleichzeitig mit dem Arbeitsausgang
5 der Ventileinheit 2 kommuniziert, pneumatisch gekoppelt.
[0040] Beide linearverschiebbaren Ventilkörper 21, 22 der Ventile 11, 12 sind jeweils mittels
einer - in Fig. 2 nicht dargestellten - Feder 38, 39 in die in Fig. 2 dargestellte
und den Fail-Safe-Zustand bei Ausfall der elektrischen Energie definierende Schaltstellung
vorgespannt und können durch den (in Fig. 2 nicht dargestellten und gemäß der Pfeile
V1 und V2 mittelbar auf den Ventilkörper 21 bzw. 22 einwirkenden) piezopneumatischen
Verstellantrieb 17, 19, 23 bzw. 18, 20, 24 entgegen der jeweiligen Federkraft F
feder verstellt werden. Die durch die piezoelektrischen Pilotventile 19, 20 gebildeten
Verstellantriebe 17, 18 beider Ventile 11, 12 sind vorliegend derart an die Ventilkörper
angekoppelt, dass bei einem Ausfall der elektrischen Energie von diesen keine Kraft
mehr auf die Ventilkörper 21 bzw. 22 ausgeübt wird.
[0041] Dabei ist der Ventilkörper 21 des links dargestellten Ventileinsatzes 13 durch die
Federkraft F
feder gegen seinen Ventilsitz 40, also in eine Schließstellung, vorgespannt, während der
Ventilkörper 22 des rechts dargestellten Ventileinsatzes 14 durch die Federkraft F
feder in eine von seinem Ventilsitz 41 beabstandete Öffnungsstellung vorgespannt ist. Das
links dargestellte Ventil 11 besitzt somit eine sich bei Energieausfall schließende
Funktionscharakteristik (="normal geschlossen (NG)"), während das rechts dargestellte
Ventil 12 eine sich bei Energieausfall öffnende Funktionscharakteristik (="normal
offen (NO)") aufweist. Für den in Fig. 1 insgesamt dargestellten Stellungsregler 1
bedeutet dies, dass bei Ausfall der elektrischen Energie der Arbeitsausgang 5 über
das sich öffnende Ventil 12 mit dem Entlüftungsausgang 6 verbunden und durch das sich
schließende Ventil 11 von der am Versorgungseingang 4 anliegenden Druckgasversorgung
entkoppelt wird, wodurch die Arbeitskammer 10 des Arbeitsglieds 3 entlüftet wird.
Der Kolben 9 des Arbeitsglieds 3 nimmt somit unter Einwirkung der Feder 8 die bei
druckloser Arbeitskammer 10 vorgegebene Endlage ein.
[0042] Fig. 3 zeigt nun einen Schnitt durch den Gehäuseblock 30 der bereits in den Fig.
1 und 2 dargestellten Ventileinheit mit vertauschten Ventileinsätzen 13, 14. Es wird
sofort klar, dass nun bei einem Ausfall der elektrischen Energie das linke Ventil
11 die dargestellte Öffnungsstellung einnimmt (=Funktionscharakteristik "NO"), während
das rechte Ventil 12 seine Schließstellung einnimmt (=Funktionscharakteristik "NG").
Im Ergebnis wird der Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit 2 mit der am Versorgungseingang
4 anliegenden Druckgasversorgung verbunden und von dem Entlüftungsausgang 6 entkoppelt,
wodurch der Druck am Arbeitsausgang 5 steigt, so dass der Kolben 9 des Arbeitglieds
3 gegen die Kraft der Feder 8 die gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1
und 2 entgegengesetzte Endlage seines maximalen Verfahrweges einnimmt.
[0043] Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Ventilgehäuseblock 30 eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, bei dem wiederum der Stellungsregler 1 bzw. die Ventileinheit
2 als solche - mit Ausnahme der zur Verwendung kommenden Ventileinsätze 13 - identisch
ausgestaltet sind.
[0044] Hier sind für die beiden Ventile 11, 12 zwei identische funktionsspezifische Ventileinsätze
13 gewählt, deren Schalteinheiten 15 bei Energieausfall beide in eine das betreffende
Ventil 11, 12 schließende Stellung überführt werden. Somit wird die Arbeitskammer
10 eines an den Arbeitsausgang 5 der Ventileinheit angeschlossenen Arbeitsglieds 3
sowohl vom Versorgungseingang 4 als auch vom Entlüftungsausgang 6 der Ventileinheit
2 entkoppelt, so dass sich der Druck in der Arbeitskammer 10 nicht ändert, also gleich
bleibt. Das Arbeitsglied 3 bzw. dessen Kolben 9 behält damit seine vor dem Energieausfall
eingenommene Position bei.
[0045] Figur 5 zeigt schließlich noch einen Schnitt durch das Ventilgehäuse 31 des in Fig.
2 links dargestellten Ventils 11. Dabei umfasst das Ventilgehäuse 31 einen Ventilgehäuseblock
30 und einen den Ventileinsatz 13 abdeckenden Gehäusedeckel 42, in denen ein das gesamte
Ventil 11 (inkl. Pilotventil 19) aufnehmender Aufnahmehohlraum 33 ausgebildet ist,
wobei das den Verstellantrieb 17 bildende Pilotventil 19 vollständig in dem in den
Gehäusedeckel 42 hineinragenden Bereich des Aufnahmehohlraumes 33 untergebracht ist.
Der Doppelpfeil P kennzeichnet die lineare Verschiebbarkeit der mit dem Ventilkörper
21 verbundenen Ventilbestandteile.
[0046] Das als Verstellantrieb 17 fungierende Pilotventil 19 ist durch ein mittels der Membran
43 von der Schalteinheit 15 des Ventileinsatzes 13 abgetrenntes und stets entlüftetes
pneumatisches Volumen 44 von der Schalteinheit 15 entkoppelt. Die Membran 43 ist dabei
mittelbar mit dem Ventilkörper 21 verbunden und übt auf diesen, sobald er gegen die
Kraft F
feder der innerhalb des Strömungskanals 35 abgestützten Feder 38 verschoben wird, eine
Rückstellkraft F
rück auf den Ventilkörper aus, die - wie auch eine sich aus der Geometrie des Boosterventils
ergebende Kraft F
sitz - der Stellkraft F
st des Pilotventils 19 entgegengerichtet ist. Das sich hierbei zu jedem Zeitpunkt einstellende
Kräftegleichgewicht wirkt selbststabilisierend für das gesamte System gegenüber Systemschwankungen
aller Art.
[0047] Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zeigen die bei verschiedener Bestückung der Ventile
11, 12 mit den vorstehend erläuterten Ventileinsätzen 13, 14 realisierbaren Funktionscharakteristiken
der betreffenden Ventile 11, 12 in Abhängigkeit vom Betätigungszustand des Pilotventils
19, 20 des jeweiligen Ventils bzw. das sich hieraus ergebende Fail-Safe-Verhalten
einer vorstehend anhand der Figuren 1 - 4 im Grundsatz erläuterten Ventileinheit 2.
Tabelle 1
Ausführung der (Booster-)Ventile 11, 12 |
Änderung des Drucks am Arbeitsausgang |
funktionsspez. Ventileinsatz in Ventil 11 (Funktionscharakteristik) |
Betätigungszustand Pilot 19 |
funktionsspez. Ventileinsatz in Ventil 12 (Funktionscharakteristik) |
Betätigungszustand Pilot 20 |
|
13
(NG) |
aus |
14
(NO) |
aus |
sinkt |
aus |
ein |
keine Änderung |
ein |
aus |
undefiniert |
ein |
ein |
steigt |
14
(NO) |
aus |
13
(NG) |
aus |
steigt |
aus |
ein |
undefiniert |
ein |
aus |
keine Änderung |
ein |
ein |
sinkt |
13
(NG) |
aus |
13
(NG) |
aus |
keine Änderung |
aus |
ein |
sinkt |
ein |
aus |
steigt |
ein |
ein |
undefiniert |
14
(NO) |
aus |
14
(NO) |
aus |
undefiniert |
aus |
ein |
steigt |
ein |
aus |
sinkt |
ein |
ein |
keine Änderung |
Tabelle 2
Funktionscharakteristik der Ventile |
Verhalten des Ausgangsdrucks bei Ausfall |
Ventil 11 |
Ventil 12 |
elektrische Energie |
Druckgasversorgung |
NG |
NO |
sinkt |
sinkt |
NO |
NG |
steigt |
sinkt |
NG |
NG |
keine Änderung |
sinkt |
NO |
NO |
undefiniert |
sinkt |
[0048] Und schließlich zeigt Tabelle 3 das funktionscharakteristikabhängige Fail-Safe-Verhalten
eines weiteren erfindungsgemäßen Stellungsreglers, der in an sich bekannter Art an
ein doppelt wirkendes Arbeitsglied angeschlossen ist und hierzu vier piezopneumatische
Ventile A1, A2, B1, B2 der erläuterten Art aufweist. Die Ventile A1, B1 dienen zur
Steuerung des Drucks in einer ersten, mit einem ersten Arbeitsausgang der Ventileinheit
verbundenen Arbeitskammer des Arbeitsglieds, während die Ventile A2, B2 zur Steuerung
des Drucks in einer zweiten, mit einem zweiten Arbeitsausgang der Ventileinheit verbundenen
Arbeitskammer dienen.
Tabelle 3
Funktionscharakteristik der Ventile |
Verhalten des Ausgangsdrucks bei Ausfall |
A1 |
A2 |
B1 |
B2 |
elektrische Energie |
Druckgasversorgung |
|
|
|
|
Kammer 1 |
Kammer 2 |
Kammer 1 |
Kammer 2 |
NG |
NG |
NO |
NO |
sinkt |
sinkt |
sinkt |
sinkt |
NO |
NO |
NG |
NG |
steigt |
steigt |
sinkt |
sinkt |
NG |
NG |
NG |
NG |
k. Änd. |
k. Änd. |
sinkt. |
sinkt. |
NO |
NO |
NO |
NO |
undef. |
undef. |
sinkt |
sinkt |
NG |
NO |
NO |
NG |
sinkt |
steigt |
sinkt |
sinkt |
NO |
NG |
NG |
NO |
steigt |
sinkt |
sinkt |
sinkt |
1. Pneumatischer Stellungsregler (1) mit einem pneumatischen Arbeitsglied (3) und einer
auf dieses wirkenden piezopneumatischen Ventileinheit (2), welche zwei miteinander
pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile (11, 12) umfasst, wobei die Ventileinheit
(2) einen Signaleingang (29) für ein elektrisches Steuersignal sowie einen an eine
Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang (4), einen an das pneumatische
Arbeitsglied (3) angeschlossenen Arbeitsausgang (5) und einen Entlüftungsausgang (6)
für das Arbeitsmedium aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventile (11, 12) jeweils ein Ventilgehäuse (31, 32) und einen in einen Aufnahmehohlraum
(33, 34) des betreffenden Ventilgehäuses (31,32) dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen
Ventileinsatz (13, 14) mit einer durchströmten Schalteinheit (15, 16) aufweisen, wobei
der Ventilsitz (40, 41) und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs
(17, 18) verstellbare Ventilkörper (21, 22) an der Schalteinheit (15, 16) des Ventileinsatzes
(13, 14) vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse (31,32) angeordnete Strömungskanäle
(35, 36, 37) dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34) münden, dass
bei identischem Ventilgehäuse (31, 32) durch Austausch des Ventileinsatzes (13, 14)
unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) realisierbar
sind.
2. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventileinsätze (13, 14) austauschbar in dem dem jeweiligen Ventil (11, 12) zugeordneten
Aufnahmehohlraum (33, 34) eingesetzt sind.
3. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstellantrieb (17, 18) in Form einer piezopneumatischen Vorstufe (19, 20) ausgeführt
ist.
4. Stellungsregler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstellantrieb (17, 18) jedes Ventils (11, 12) und die Schalteinheit (15, 16)
des zugehörigen Ventileinsatzes (13, 14) eine gemeinsame, als ganzes austauschbare
Baugruppe bilden.
5. Stellungsregler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstellantrieb (17, 18) jedes Ventils (11, 12) und die Schalteinheit (15, 16)
des zugehörigen Ventileinsatzes (13, 14) getrennte Baugruppen bilden.
6. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die die unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11,
12) bewirkenden verschiedenen Ventileinsätze (13, 14) sich nur im Umfang der jeweiligen
Schalteinheit (15, 16) unterscheiden.
7. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass bei den Ventileinsätzen (13, 14) jeweils der Verstellantrieb (17, 18) und die Schalteinheit
(15, 16) gastechnisch durch ein mittels einer Membran (43) von der Schalteinheit (15,
16) abgetrenntes pneumatisches Volumen (44) entkoppelt sind.
8. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass für die beiden Ventile (11, 12) ein gemeinsames Ventilgehäuse (30, 42) vorgesehen
ist.
9. Stellungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass das gemeinsame Ventilgehäuse (30, 42) einen Ventilgehäuseblock (30) und mindestens
einen Gehäusedeckel (42) umfasst.
10. Stellungsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Aufnahmehohlraum (33, 34) jeweils sowohl in den Ventilgehäuseblock (30)
als auch in den Gehäusedeckel (42) hinein erstreckt.
11. Stellungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstellantrieb (17, 18) in dem in den Gehäusedeckel (42) hineinragenden Bereich
des Aufnahmehohlraumes (33, 34) untergebracht ist.
12. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Arbeitsausgang (5) mit einem die beiden Aufnahmehohlräume (33, 34) miteinander
verbindenden Strömungskanal (36) kommuniziert.
13. Piezopneumatische Ventileinheit (2) für einen pneumatischen Stellungsregler (1), umfassend
zwei miteinander pneumatisch gekoppelte piezopneumatische Ventile (11, 12) , wobei
die Ventileinheit (2) einen Signaleingang (29) für ein elektrisches Steuersignal sowie
einen an eine Druckgasversorgung anschließbaren Versorgungseingang (4), einen an ein
pneumatisches Arbeitsglied des Stellungsreglers (1) anschließbaren Arbeitsausgang
(5) und einen Entlüftungsausgang (6) für das Arbeitsmedium aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventile (11, 12) jeweils ein Ventilgehäuse (31, 32) und einen in einen Aufnahmehohlraum
(33, 34) des betreffenden Ventilgehäuses (31, 32) dichtend einsetzbaren funktionsspezifischen
Ventileinsatz (13, 14) mit einer durchströmten Schalteinheit (15, 16) aufweisen, wobei
der Ventilsitz (40, 41) und der mit diesem zusammenwirkende, mittels eines Verstellantriebs
(17, 18) verstellbare Ventilkörper (21, 22) an der Schalteinheit (15, 16) des Ventileinsatzes
(13, 14) vorgesehen sind und wobei in dem Ventilgehäuse (31, 32) angeordnete Strömungskanäle
(35, 36, 37) dergestalt in den zugeordneten Aufnahmehohlraum (33, 34) münden, dass
bei identischem Ventilgehäuse (31, 32) durch Austausch des Ventileinsatzes (13, 14)
unterschiedliche Funktionscharakteristiken des betreffenden Ventils (11, 12) realisierbar
sind.
14. Verfahren zur Einstellung bzw. Abänderung des Fail-Safe-Verhaltens eines pneumatischen
Stellungsreglers nach Anspruch 1 oder einer piezopneumatischen Ventileinheit nach
Anspruch 13
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
A) Vorgabe eines gewünschten Fail-Safe-Verhaltens für den pneumatischen Stellungsregler
bzw. die piezopneumatische Ventileinheit entsprechend dem gewünschten Einsatzzweck
des Stellungsreglers bzw. der Ventileinheit
B) Auswahl zweier zur Erzielung des gewünschten Fail-Safe-Verhaltens geeigneter Ventileinsätze
aus einer Mehrzahl an verschiedenen, funktionsspezifischen Ventileinsätzen
C) Entweder Erstbestückung der Aufnahmehohlräume mit den gemäß Schritt B) ausgewählten
Ventileinsätzen
oder Austausch von bereits in den Aufnahmehohlräumen vorhandenen Ventileinsätzen durch die gemäß Schritt B) ausgewählten Ventileinsätze