[0001] Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Volumenstromverstärker. Der Volumenstromverstärker
wird in Verbindung mit pneumatischen Stellungsreglern eingesetzt, um gemeinsam die
Stellgeschwindigkeit eines pneumatischen Antriebs zu erhöhen und/oder den Hubvolumenstrom
des pneumatischen Antriebs spontan zu vergrößern. Der Einsatz eines Volumenstromverstärkers
in Wirkkoppelung mit einem Stellungsregler ist insbesondere dann von Interesse, wenn
der Stellungsregler nicht ausreicht, die gewünschte Stellungsregelung und damit die
gewünschten Stellantriebsbetätigung zu realisieren. Bei großen pneumatischen Antrieben,
mit einem Hubvolumen von größer oder gleich ca. 2000 cm
3, ist es aus prozesstechnischer Sicht wünschenswert, eine schnelle Betätigung eines
von dem Antrieb zu stellenden Stellventils zu realisieren, was auf dem Gebiet der
Prozesstechnik dadurch bekanntermaßen realisiert wird, dass ein oder mehrere sogenannte
pneumatische Booster/Verstärker eingesetzt werden. Für jeden dieser zugeschalteten
Booster sind u. a. zusätzliche Pneumatikventile, wie Schnellentlüfter, einzusetzen,
um die Betriebsanforderungen der jeweiligen prozesstechnischen Anlage zu erfüllen.
Die pneumatische Verschaltung der Booster mit dem Stellungsregler und dem pneumatischen
Antrieb ist an sich aufwendig. Zudem ist es bei Einsatz weiterer pneumatischer Bauteile
schwierig, dass das jeweilige individuelle Betriebscharakteristikum der Geräte im
Lichte der gewünschten Stellungsregelung einzustellen.
[0002] Der gattungsgemäße Volumenstromverstärker ist insbesondere zwischen einem pneumatischen
Stellungsregler und einem pneumatischen Stellantrieb mit einer Stellarmatur, wie einem
Stellventil, einer prozesstechnischen Anlage angeschlossen und dient dazu, den pneumatischen
Antrieb zu belüften und/oder zu entlüften, der beispielsweise ein Stellventil der
prozesstechnischen Anlage betätigen soll. Eine prozesstechnische Anlage dient dazu,
ein prozesstechnisches Fluid, wie petrochemische Fluide, Lebensmittelfluide, wie Brauereisäfte,
im großen Maßstab zu verarbeiten.
[0003] Aus
DE 10 2009 015 999 A1 ist ein vorgesteuertes Druckproportionalventil bekannt, dem bei entsprechender Ansteuerung
eine Volumenstromverstärkungsfunktion zugesprochen werden kann und das ein elektrisch
betätigbares Belüftungsventil und ein elektrisch betätigbares Entlüftungsventil aufweist,
die beide mit einer druckluftbeaufschlagten Vorsteuerkammer des Proportionalventils
verbunden sind. Das bekannte Druckproportionalventil sieht eine Verblockfunktion für
den pneumatischen Antrieb bei Unterschreitung eines vorbestimmten Ist-Arbeitsdrucks
unter einem vorgegebenen Soll-Arbeitsdruck vor, indem das Belüftungsventil schließt
und das Entlüftungsventil geöffnet wird. Durch pneumatische Verschaltung beider Ventile
ergibt sich ein erhöhter Verrohrungsaufwand. Sollten zusätzlich pneumatische Verstärker,
wie Booster, eingesetzt werden, um dem Druckproportionalventil eine weitere Volumenstromverstärkungsfunktion
zuzuführen, müssten weitere Ventile vorgesehen werden, die auf das gewünschte Regelverhalten
des Stellungsreglers abzustimmen sind und den Verrohrungsaufwand erhöhen.
[0004] Bei einem sehr volumengroßen pneumatischen Antrieb, beispielsweise mit einem Hubvolumen
von über 2000 cm
3, besteht die Schwierigkeit, kleine pneumatische Signaländerungen und große pneumatische
Signaländerungen, also jeweilige Druckänderungen, in der pneumatischen Arbeitskammer
des pneumatischen Antriebs zu realisieren. Bei kleinen Positionsänderungen des von
dem pneumatischen Stellantrieb zu stellenden Stellventils kann es aufgrund von Reibungskräften
und entsprechend langen Ansprechzeiten zu einem Überschwingen des Stellventils über
die gewünschte Sollregelposition kommen. Lange zu überwindende Stellwegen können dazu
führen, dass die großen Luftmengen ein Überschwingen zulassen. Um die entsprechend
großen Luftmengen von einem Stellungsregler in den pneumatischen Antrieb zu realisieren,
können externe Booster eingesetzt werden, welche eine aufwendige pneumatische Verschaltung
fordern. Bei einer Reihen- oder Parallelschaltung von mehreren Boostern ist aufgrund
der jeweiligen individuellen Kennlinie des Boosters und aufgrund von unterschiedlichen
Verzögerungscharakteristiken und unterschiedlichem dynamischen Verhalten der Booster
eine pneumatische Signalverschlechterung hinzunehmen, welche einen hohen Regelungsabstimmungsaufwand
fordern.
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden,
insbesondere ein pneumatisches Volumenstromverstärker vorzugsweise zum strukturellen
Erweitern mit einem Stellungsregler, der an einem pneumatischen Antrieb einer Prozessarmatur
angeschlossen ist, oder eine Anordnung aus einem Stellungsregler, dem Volumenstromverstärker
und gegebenenfalls dem daran angeschlossenen pneumatischen Antrieb bereitzustellen,
wobei der Volumenstromverstärker eine schnelle Regelung insbesondere bei großen pneumatischen
Antrieben vorzugsweise mit einem Hubvolumen von größer als 2000 cm
3 gewährleisten kann, wobei insbesondere ein hoher Regelungsabstimmungsaufwand und/oder
ein hoher konstruktiver Aufwand zur Verrohrung zu vermeiden ist.
[0006] Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach ist ein pneumatischer
Volumen- oder Servoventileinrichtung zum Belüften und/oder Entlüften und gegebenenfalls
Verschließen eines pneumatischen Antriebs, wie eines pneumatischen Stellantriebs,
zum Betätigen einer Stellarmatur, wie eines Stellventils, einer prozesstechnischen
Anlage, wie einer petrochemischen Anlage, einer Lebensmittelverarbeitungsanlage, wie
einer Brauerei oder dergleichen, vorgesehen. Der pneumatische Volumenstromverstärker
steht in Wirkverbindung mit einem Stellungsregler, der wenigstens ein pneumatisches
Stellsignal über den Volumenstromverstärker einem pneumatischen Antrieb, wie einem
pneumatischen Stellantrieb, zuführt. Die Erfindung kann sowohl eine Anordnung aus
dem Volumenstromverstärker, dem Stellungsregler und gegebenenfalls dem pneumatischen
Antrieb gebildet sein, als auch durch den Volumenstromverstärker als anzuschließende
Einheit in Alleinstellung betreffen. Der pneumatische Volumenstromverstärker ist erfindungsgemäß
insbesondere zum Einsatz für große pneumatische Antriebe vorgesehen, die ein Hubvolumen
von über 2000 cm
3 aufweisen und bei denen die Hubgeschwindigkeit zu erhöhen ist. Vorzugsweise ist der
pneumatische Volumenstromverstärker als kompakte Pneumatikeinheit direkt an dem pneumatischen
Antrieb angeflanscht oder kann auf sonstige Weise befestigt sein oder kann an dem
Stellungsregler, insbesondere an dessen Gehäuse, angeflanscht oder auf sonstige Weise
befestigt sein. Dabei kann der erfindungsgemäße pneumatische Volumenstromverstärker
folgende Grundfunktionen/Konstruktionen aufweisen:
ein proportionales 3/3-(5/3)-Wegeventil, das von dem Stellungsregler direkt angesteuert
wird, wobei die Arbeitskammer des pneumatischen Antriebs über das 3/3-(5/3)-Wegeventil
befüllt, entlüftet oder verschlossen ist;
ein 2/2- oder 4/2-Wegeventil, das mechanisch mit dem 3/3-(5/3)-Wegeventil gekoppelt
ist, wobei das 2/2- oder 4/2-Wegeventil als ein Bypassventil insbesondere zum Einstellen
kleinerer Volumenströme ausgelegt ist;
ein Sicherheitszwangsmittel, wie eine Rückstellungsfeder, welches mechanisch mit dem
3/3-(5/3)-Wegeventil und gegebenenfalls dem 2/2- oder 4/2-Wegeventil mechanisch gekoppelt
ist, wobei vorzugsweise die Sicherheitszwangseinrichtung über ein zusätzliches Sicherheitsmagnetventil
geschaltet werden kann, um insbesondere den pneumatischen Antrieb zwangszuentlüften;
und
eine Wegemessung der Stellung eines Stellventils der Stellarmatur der prozesstechnischen
Anlage, wobei die Messergebnisse direkt zur Regelung der jeweiligen Ventile des pneumatischen
Volumenstromverstärkers mit Hilfe der Elektronik des Stellungsreglers verwendet werden.
[0007] Der pneumatische Volumenstromverstärker wird vorzugsweise als Montageeinheit mit
einer kompakten Gehäusestruktur gestaltet, die stellantriebsnah oder stellungsreglernah
fest angebracht werden kann. Der pneumatische Volumenstromverstärker, insbesondere
dessen Gehäusestruktur, definiert zumindest genau einen pneumatischen Steuerausgang
zum Anschluss an zumindest eine pneumatische Arbeitskammer des pneumatischen Stellantriebs.
Die Gehäusestruktur des pneumatischen Proportionalventils kann auch einen zweiten
oder dritten pneumatischen Steuerausgang aufweisen, um diese(n) an eine zweite Arbeitskammer
des Stellantriebs oder an eine weitere Arbeitskammer eines weiteren Stellantriebs
anzuschließen. Des Weiteren ist wenigstens ein erster pneumatischer Belüftungseingang
in der Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers insbesondere zum Empfangen eines
pneumatischen Stelldrucksignals beispielsweise eines Stellungsreglers ausgestaltet.
Des Weiteren hat der pneumatische Volumenstromverstärker, insbesondere dessen Gehäusestruktur,
einen Verstärkungseingang zum Anschluss an eine pneumatische Versorgungsquelle insbesondere
konstanten Luftdrucks, vorzugsweise von 6 bar. An dem Verstärkungseingang wird ein
pneumatisches Verstärkungssignal empfangen, wie ein Boostersignal, beispielsweise
von dem pneumatischen Verstärker, der zwischen dem Verstärkungseingang und dem Stellungsregler
pneumatisch zwischengeschaltet sein kann und insbesondere außerhalb des pneumatischen
Volumenstromverstärkers, vorzugsweise dessen Gehäusestruktur, anschließbar ist.
[0008] Des Weiteren umfasst der pneumatische Volumenstromverstärker, insbesondere dessen
Gehäusestruktur, eine Entlüftungsöffnung, die vorzugsweise auf Atmosphärendruck liegt,
damit der Steuerausgang des Volumenstromverstärkers für einen bestimmten Betriebszustand,
insbesondere Betriebsnotzustand, auf Atmosphärendruck gesetzt und entlüftet werden
kann. Des Weiteren hat das erfindungsgemäße Proportionalventil, insbesondere in dessen
Gehäusestruktur integriert, eine pneumatische Entlüftungskanalverbindung zwischen
der Entlüftungsöffnung und dem Steuerausgang. In der Entlüftungskanalverbindung ist
ein die Verbindung trennendes und/oder öffnendes Entlüftungssitzventil angeordnet,
das insbesondere gegenüber anderen Sitzventilen des Volumenstromverstärkers derart
steuerungsdominant ist, dass bei Öffnung des Entlüftungssitzventils eine Entlüftung
des Steuerausgangs erzwungen wird und somit die angeschlossene pneumatische Arbeitskammer
des pneumatischen Antriebs entlüftet werden kann.
[0009] Des Weiteren ist eine pneumatische Belüftungskanalverbindung zwischen dem Belüftungseingang
und dem Steuerausgang innerhalb der Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers ausgebildet.
In der Belüftungskanalverbindung ist ein die Verbindung trennendes und/oder öffnendes
Belüftungssitzventil angeordnet, das insbesondere dazu geeignet ist, kleine Luftmengenänderungen
zur Abgabe an dem pneumatischen Steuerausgang insbesondere über eine (bezüglich des
Volumenstromverstärkers) externe vorgeschaltete Einheit einzustellen, um eine präzise
Regelgüte sicherzustellen.
[0010] Des Weiteren hat der Volumenstromverstärker eine pneumatische Verstärkungsverbindung
zwischen einem Verstärkungseingang und dem Steuerausgang. In der Verstärkungskanalverbindung
ist ein die Verbindung trennendes und/oder öffnendes Verstärkungssitzventil angeordnet,
das dazu ausgelegt ist, große Luftmengenänderungen insbesondere zu einem bestimmten
Schaltpunkt, der durch die Mechanik des Volumenstromverstärkers realisiert ist, zuzuschalten.
Der Verstärkungseingang des Volumenstromverstärkers kann über einen externen Verstärker
(Booster) mit einer Druckluftquelle insbesondere konstanten Luftdrucks, wie 6 bar,
verbunden sein, damit große Luftmengen zu einem bestimmten Betriebsschaltpunkt zugeschaltet
werden können, um schlagartig höhere Stelldrücke (Luftmengen) an dem pneumatischen
Steuerausgang für den pneumatischen Antrieb zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß
ist eine gemeinsame mechanische Sitzventil-Betätigung in dem erfindungsgemäßen Volumenstromverstärker
vorgesehen, die insbesondere an der Gehäusestruktur insbesondere translatorisch verschieblich
gelagert ist. Die Sitzventil-Betätigung ist dazu ausgelegt, sowohl das Entlüftungssitzventil
als auch das Belüftungssitzventil als auch das Verstärkungssitzventil zu betätigen
und sukzessive zu verlagern, um eine geregelte Luftmenge in Bezug auf Betrag und Timing
innerhalb des pneumatischen Antriebs zu erzeugen. Es sei klar, dass erfindungsgemäß
auch mehrere Verstärkungssitzventile im Hinblick auf mehrere pneumatische Verstärkungseingänge
vorgesehen sein können, um unterschiedliche Schaltstufen von Belüftungs-oder zugeschalteten
Verstärkungssignalen bereitstellen zu können. Erfindungsgemäß kann mit dem Volumenstromverstärker
unterschiedlichste Druckbeaufschlagungscharakteristiken im pneumatischen Antrieb je
nach Anwendungs- und Betriebsfall annähernd verzögerungsfrei realisiert werden, wobei
der strukturelle Aufwand hierfür aufgrund der gemeinsamen Sitzventil-Betätigung gering
bleibt. Die Möglichkeit, in einem Ventil ein Belüftungsventil und zusätzlich ein Verstärkungsventil
zum Zuschalten von Luftvolumen vorzusehen, ermöglicht ein variables Baukastensystem,
um verschiedenste Belüftungs- und Entlüftungsszenarien zu realisieren.
[0011] Es sei klar, dass der erfindungsgemäße Volumenstromverstärker auch eine eigene Wegmessung
aufweisen kann, um eine direkte Erfassung der Position der Sitzventil-Betätigung beispielsweise
des Verstärkersitzventils und/oder des ersten Belüftungssitzventils insbesondere zur
Weitergabe an den externen Stellungsregler zu ermöglichen und die Regelgüte zu verbessern.
[0012] Es zeigte sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Volumenstromverstärker der Verrohrungsaufwand
für die unterschiedlichen pneumatischen Regelungssituationen deutlich reduziert ist.
Der erfindungsgemäße Volumenstromverstärker ist dazu geeignet, mittels einer Ventilmechanik
große und kleine Mengen schnell und sicher bereitzustellen, wobei er insbesondere
für kleine KV-Werte (Kv-Wert bei Nennhub) einen Bypass bereitstellt.
[0013] Es sei klar, dass das erfindungsgemäße Proportionalventil als 3/3-Wegeventil oder
ein 5/3-Wegeventil ausgestaltet sein kann. Auch ist es möglich, dass das erfindungsgemäße
Proportionalventil als 2/2- oder 4/2-Wegeventil auszubilden.
[0014] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die gemeinsame Sitzventil-Betätigung
einen eigenen Volumenstromverstärker, der insbesondere innerhalb der Gehäusestruktur
des Volumenstromverstärkers untergebracht ist und dazu dient, das Entlüftungsventil,
das Belüftungssitzventil und das Verstärkungssitzventil zu betätigen. Dabei kann der
Membranantrieb mit dem Belüftungssitzventil, dem Entlüftungssitzventil und dem Verstärkungssitzventil
mechanisch gekoppelt sein. Die gemeinsame Sitzventilbetätigung betätigt nicht gleichzeitig
das Entlüftungsventil, das Belüftungsventil und das Verstärkungssitzventil, sondern
in Abhängigkeit eines Betätigungsglieds, das translatorisch verschieblich in der Gehäusestruktur
des Volumenstromverstärkers gelagert ist. Das sukzessive Aktivieren/Deaktivieren des
jeweiligen Sitzventils geschieht wegabhängig von der Stellung des Betätigungsglieds.
Die Abfolge der Betätigung des Belüftungsventils, Entlüftungsventils und Verstärkungssitzventils
ermöglicht das Notabschalten beispielsweise durch Entlüftung das klassische Regeln
des Antriebsdrucks in dem Stellantrieb oder das schlagartige Zuschalten von Verstärkervolumen.
Die mechanische Kopplung der gemeinsamen Sitzventil-Betätigung kann insbesondere derart
gestaltet sein, dass der Membranantrieb gegenüber jedem Sitzventil in einer Verlagerungsrichtung
des Membranantriebs frei läuft und in einer gegenläufigen Verlagerungsrichtung des
Membranantriebs bei Erreichung und Überschreiten einer vorbestimmten, insbesondere
sitzventilindividuellen Antriebsstellung, das jeweilige Sitzventil betätigt, insbesondere
mitnimmt. Dabei ist die Verlagerungsrichtung, bei der der Membranantrieb frei läuft,
nicht für jedes Sitzventil die gleiche. Zum Beispiel kann es sein, dass in einer der
beiden Verlagerungsrichtungen zwei der wenigstens drei Sitzventile sukzessive mitgenommen
werden und eines unbetätigt bleibt, während in einer anderen Verlagerungsrichtung
nur ein Sitzventil mitgenommen werden kann und die anderen Sitzventile unbetätigt
bleiben.
[0015] Vorzugsweise laufen in einer ersten Verlagerungsrichtung des Membranantriebs nur
das Entlüftungssitzventil frei. Das Entlüftungssitzventil kann alternativ starr mit
dem Membranantrieb gekoppelt sein, das heißt, es wird in beide Verlagerungsrichtungen
durch den Membranantrieb spiel- oder freiweglos betätigt. Bei dieser Ausgestaltung
sind sowohl das Belüftungssitzventil und das Verstärkungssitzventil durch den Membranantrieb
in der ersten Verlagerungsrichtung betätigtbar. Bei einer der ersten Verlagerungsrichtung
gegenläufigen, zweiten Verlagerungsrichtung des Membranantriebs laufen das Belüftungssitzventil
und das Verstärkungssitzventil frei, und das Entlüftungssitzventil wird durch den
Membranantrieb betätigt.
[0016] Das Verstärkungsventil und das Belüftungsventil können, wie oben dargestellt ist,
in einer Verlagerungsrichtung bezüglich des Membranantriebs frei laufen, während in
der anderen Verlagerungsrichtung diese Sitzventile (das Belüftungssitzventil und das
Verstärkungs- oder zweite Belüftungsventil) mitgenommen werden. Es ist auch vorstellbar,
dass das Verstärkungsventil starr mit dem Membranantrieb gekoppelt ist, so dass der
Membranantrieb das Verstärkungsventil in beide Verlagerungsrichtungen mitnimmt.
[0017] Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Membranantrieb mit einer Arbeitskammer
und einer Rückstellkammer ausgebildet, wobei die Rückstellkammer pneumatisch betrieben
sein kann und/oder mit einer Rückstellfeder ausgestaltet sein kann. Die Arbeitskammer
und die Rückstellkammer sind durch die Membran voneinander getrennt.
[0018] Der Membranantrieb empfängt über einen weiteren separaten pneumatischen Eingang,
wie einen Membranantriebseingang, des Volumenstromverstärkers, ein pneumatisches Eingangssteuersignal,
das vorzugsweise zu dem pneumatischen Steuersignal unterschiedlich erzeugt und/oder
ausgeregelt ist, das dem Belüftungseingang zugeführt ist und insbesondere von einem
Stellungsregler herrührt. Das pneumatische Eingangssteuersignal kann auch ein weiteres
pneumatisches Signal von dem Stellungsregler sein, der dazu ausgelegt ist, mehrere
unterschiedliche Steuersignale abzugeben. Vorzugsweise ist der Membranantrieb in eine
Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers vollständig untergebracht, wobei insbesondere
eine Betätigungsstange oder eine Betätigungswelle mit einer die Kammern trennenden
Membran gekoppelt ist, um die Betätigungsstange oder -welle in einer translatorischen
oder rotatorischen Verlagerungsrichtung entsprechend dem pneumatischen Steuersignal
zu stellen. Insofern kann der proportionalventileigene Membranantrieb direkt durch
den pneumatischen Signalausgang des Stellungsreglers gesteuert werden, der für die
Steuerung des pneumatischen Antriebs verantwortlich ist.
[0019] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Sitzventil-Betätigung ein
Betätigungsglied, wie eine Betätigungsstange oder eine Betätigungswelle. Das Betätigungsglied
ist insbesondere von dem Membranantrieb direkt betrieben, wobei insbesondere das Betätigungsglied
gegenüber dem Entlüftungssitzventil in einer Verlagerungsrichtung freilaufend strukturiert
ist und einen eigenen Mitnehmer aufweist, der beispielsweise als ein von der Stange
vorragender Absatz oder Stufe ausgebildet ist und das Entlüftungssitzventil in der
anderen Verlagerungsrichtung mitnehmen kann. Der Mitnehmer hat die Funktion, das jeweilige
Sitzventil nur in einer der beiden Verlagerungsrichtungen mitzunehmen und somit zu
betätigen. Das Entlüftungssitzventil kann auch an dem Betätigungsglied unbeweglich
festgelegt sein.
[0020] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bewegt und öffnet die mechanische
Sitzventil-Betätigung insbesondere ab einer bestimmten Entlüftungsstellung, die einer
Membranantriebsstellung entspricht, bei der das Entlüftungsventil in einer Entlüftungsstellung
gebracht ist. Vorzugsweise wird dabei das in dessen Schließstellung federvorgespannte
Entlüftungssitzventil direkt aus dessen Schließstellung gebracht. Die Federvorspannung
für das Entlüftungssitzventil dient dazu, Letzteres in die Schließstellung zu zwingen.
Erst wenn durch entsprechende Betätigung des Membranantriebs die oben genannte Antriebsstellung
oder Entlüftungsstellung erreicht ist, nimmt die Sitzventilbetätigung das Entlüftungssitzventil
mit und veranlasst dessen Verlassen des zugeordneten Ventilsitzes.
[0021] In der entgegengesetzten Verlagerungsrichtung bewegt die gemeinsame mechanische Sitzventil-Betätigung
das Belüftungssitzventil, das für die klassische Zuführung von pneumatischen Steuersignalen
an den pneumatischen Antrieb verantwortlich ist, insbesondere bei einer vorbestimmten
ersten Schließstellung, welche einer bestimmten Membranantriebsstellung entspricht,
direkt in dessen Schließstellung. Das Belüftungssitzventil ist in die Schließstellung
federvorgespannt, was insbesondere bedeutet, dass das Belüftungssitzventil durch die
Federvorspannung stets in dessen Schließstellung gezwungen wird. Die gemeinsame Sitzventil-Betätigung
drängt das Belüftungssitzventil zurück in die Schließstellung gegen den zugeordneten
Ventilsitz.
[0022] Das in dessen Schließstellung federvorgespannte Verstärkungssitzventil wird durch
die mechanische Sitzventil-Betätigung insbesondere ab einer vorbestimmten Öffnungsstellung
aus dessen Schließstellung gedrängt und öffnet sich. Die Federvorspannung des Entlüftungssitzventils
und des Verstärkungssitzventils kann durch eine gemeinsame Druckfeder gebildet sein,
wodurch sich die Anzahl von Druckfedern verringert. Die gemeinsame Druckfeder stützt
sich einerseits an dem Entlüftungssitzventil ab, um dies in die Schließstellung zu
drängen, andererseits an dem Verstärkungssitzventil ab, um Letzteres in dessen Schließstellung
zu zwingen. Jeweilige gleich bezüglich der Verlagerungsrichtung orientierte Mitnehmer
der Sitzventil-Betätigung veranlassen das Öffnen des jeweiligen Sitzventils je nachdem,
wie die sukzessive Mitnehmabfolge des Membranantriebs der Sitzventil-Betätigung realisiert
ist.
[0023] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung stellt die Sitzventil-Betätigung nur
zwei diametral entgegengesetzte Verlagerungsrichtungen, insbesondere translatorische
oder rotatorische Verlagerungsrichtungen, bereit, wobei insbesondere die mechanische
Sitzventilbetätigung derart mit den Sitzventilen gekoppelt ist, dass bei einer Verlagerung
in einer ersten Verlagerungsrichtung:
- a) das Entlüftungssitzventil aus dessen erzwungenen Schließstellung durch die mechanische
Sitzventil-Betätigung verlagert wird; und/oder
- b) das Belüftungssitzventil in dessen Schließstellung gezwungen bleibt; und
- c) das Verstärkungssitzventil von der Sitzventil-Betätigung unbetätigt bleibt.
[0024] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die gemeinsame Sitzventil-Betätigung
genau zwei diametral entgegengesetzte Verlagerungsrichtungen, insbesondere translatorische
oder rotatorische Verlagerungsrichtungen, wobei insbesondere die mechanische gemeinsame
Sitzventil-Betätigung mit den Sitzventilen derart gekoppelt ist, dass bei einer Verlagerung
in einer zweiten, zur ersten Verlagerungsrichtung entgegengesetzten Verlagerungsrichtung:
- a) das Verstärkungssitzventil und das Belüftungssitzventil aus deren erzwungenen Schließstellung
durch die mechanische Sitzventilbetätigung verlagert wird; und
- b) das Entlüftungssitzventil von der Sitzventil-Betätigung unbetätigt bleibt und in
die Schließstellung durch Federspannung gezwungen wird, wobei insbesondere die erste
und zweite Verlagerungsrichtung diametral entgegengesetzt sind.
[0025] Bei einer Weiterbildung der Erfindung mündet der wenigstens zweite pneumatische Belüftungseingang
(des Verstärkungssitzventils) und die Entlüftungsöffnung längs eines Verbindungskanals
in eine Doppel-Ventilkammer des Ventilgehäuses des Volumenstromverstärkers. In der
Doppel-Ventilkammer sind das Entlüftungssitzventil und das Verstärkungssitzventil
translatorisch beweglich gelagert. Von der Doppel-Ventilkammer erstreckt sich ein
Steuerausgangskanal hin zu dem pneumatischen Steuerausgang. Zusätzlich oder alternativ
mündet der pneumatische Belüftungseingang in eine Einzel-Ventilkammer, in der das
erste Belüftungssitzventil insbesondere translatorisch beweglich gelagert ist und
von der sich ein Zulaufkanal in den Steuerausgangskanal erstreckt, wobei insbesondere
die jeweiligen Ventilsitze durch Abschnitte der Innenwandung realisiert sind, die
von dem Volumenstromverstärker gebildet sind und/oder die von den Kanälen in der Gehäusestruktur
des Volumenstromverstärkers ausgebildet sind.
[0026] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein weiterer pneumatischer Belüftungseingang
(der Verstärkungseingang) zusätzlich zu dem pneumatischen Belüftungseingang vorgesehen.
Auch ein weiterer Belüftungskanal (Verstärkungskanal) für eine pneumatische Verbindung
zwischen dem weiteren Belüftungseingang (den Verstärkungseingang) und dem Steuerausgang
ist in der Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers ausgebildet. In der Belüftungskanalverbindung
(Verstärkungskanalverbindung) ist ein die Verbindung trennendes und/oder öffnendes,
weiteres Verstärkungssitzventil integriert, um an eine weitere Verstärkereinheit (Booster)
oder einen weiteren Stellungsreglerausgang angeschlossen zu sein. Es sei klar, dass
jeder der einzelnen Belüftungs- bzw. Belüftungseingänge an einen Booster angeschlossen
sein kann. Um eine möglichst funktionsumfassende Betriebsweise mit kleinen und großen
Luftmengenänderungen dem erfindungsgemäßen Proportionalventil zuzuordnen, sind vorzugsweise
ein Belüftungseingang an einem Stellungsregler sowie der Verstärkungseingang und der
weitere Verstärkungseingang an eine Verstärkereinheit oder an jeweils eine Verstärkereinheit
angeschlossen. Die oben genannte gemeinsame Sitzventilbetätigung ist dazu ausgelegt,
auch das weitere Belüftungssitzventil zu betätigen und ist entsprechend an dieses
gekoppelt. Die Kopplung mit dem weiteren Verstärkungssitzventil ist äquivalent bezüglich
Aufbau und Betätigung der des (ersten) Verstärkungssitzventils ausgeführt, allerdings
gegenüber dem weiteren Verstärkungssitzventil verlagerungsverzögert aktivierbar.
[0027] Bei einer Weiterbildung der Erfindung hat die Sitzventilbetätigung eine Betätigungsstange
oder -welle, wobei die Betätigungsstange oder -welle in einer den Steuerausgang sowie
die Belüftungs- bzw. Verstärkungseingänge bildenden kompakten Gehäusestruktur insbesondere
translatorisch in Verlagerungsrichtung gelagert ist. Vorzugsweise umfasst der Volumenstromverstärker
einen Positionssensor, der innerhalb des kompakten Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers
derart benachbart der Sitzventilbetätigung angeordnet ist, dass er die Stellung der
Sitzbetätigung erfassen kann. Der Stellungssensor kann beispielsweise als Hall-Element
ausgeführt sein. Der Stellungssensor ist vorzugsweise mit dem Stellungsregler gekoppelt,
um die Stellungsinformation an diesen weiterzuleiten, der auf der Basis des Ist-Stellungssignals
eine Regelung durchführen kann. Insofern kann der Stellungsregler eine Regelungsprozedur
durchführen, ohne direkt von der Position einer Bätigungsstange für das Stellventil
abhängig zu sein, sondern indirekt über die Betätigungsstange oder -welle des Volumenstromverstärkers.
[0028] Bei einer Weiterbildung der Erfindung hat das Entlüftungssitzventil einen insbesondere
kegelförmigen Entlüftungsventilkörper, der mit einem zugeordneten Entlüftungsventildichtsitz
zusammenarbeitet, wobei insbesondere der Entlüftungsventilkörper federvorgespannt
gegen den Entlüftungsventildichtsitz zum Schließen des Entlüftungssitzventils ist.
Dabei kann insbesondere der Entlüftungsventildichtsitz durch einen Abschnitt der starren
Gehäusestruktur des Proportionalventils realisiert sein. Vorzugsweise drückt eine
Druckfeder den Entlüftungsventilkörper gegen den Entlüftungsventildichtsitz und stützt
sich dabei insbesondere an einem Verstärkungsventilkörper des Verstärkungssitzventils
ab. Dabei ist die Druckfeder insbesondere ausgelegt, den Entlüftungsventilkörper und
den Verstärkungsventilkörper gegen den Entlüftungsventildichtsitz bzw. den Verstärkungsventilsitz
zu drängen.
[0029] Bei einer Weiterbildung der Erfindung hat das Belüftungssitzventil insbesondere einen
kegelförmigen Belüftungsventilkörper, der insbesondere einem ersten Belüftungsventildichtsitz
zugeordnet ist. Eine eigene Druckfeder ist dem Belüftungsventilkörper derart zugeordnet,
dass der Belüftungsventilkörper hin zu dem Belüftungsventildichtsitz und hin zu einem
dem ersten Belüftungsventilkörper zugeordneten Mitnehmer der Sitzventilbetätigung
gedrängt wird, wobei insbesondere eine mechanische lösbare Kopplung zwischen der gemeinsamen
Sitzventilbetätigung und dem Belüftungsventilkörper realisiert ist.
[0030] Weiterhin betrifft die Erfindung ein Feldgerät mit dem erfindungsgemäßen pneumatischen
Volumenstromverstärker, einem Stellungsregler und gegebenenfalls einem pneumatischen
Antrieb, wobei das pneumatische Proportionalventil als Volumenstromverstärker an das
Gehäuse des pneumatischen Antriebs unter Ausbildung einer pneumatischen Kopplung mit
dem pneumatischen Steuerausgang angedockt, insbesondere angeflanscht, ist, und/oder
der pneumatische Volumenstromverstärker an entsprechende Ausgänge des Stellungsreglers
unter Ausbildung einer pneumatischen Kopplung mit den jeweiligen Belüftungs- und Verstärkungseingängen
pneumatisch gekoppelt ist. Der Verstärkungseingang des pneumatischen Proportionalventils
kann mit einem weiteren Ausgang des Stellungsreglers oder mit einem pneumatischen
Verstärker, wie einem Booster, pneumatisch gekoppelt sein, um größere Luftmengenänderungen
am pneumatischen Steuerausgang des Proportionalventils zu generieren. Der Stellungsregler
und/oder der pneumatische Verstärker kann an dem Außengehäuse des erfindungsgemäßen
Proportionalventils direkt angeflanscht sein oder es können Verrohrungen zur pneumatischen
Kopplung der pneumatischen Bauelemente an dem Proportionalventil vorgesehen sein.
[0031] Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Feldgerätanordnung mit einem erfindungsgemäßen
pneumatischen Volumenstromverstärker, einem an dem Proportionalventil angeschlossenen
Stellungsregler, der dem pneumatischen Proportionalventil ein pneumatisches Steuersignal
insbesondere an einem Entlüftungseingang und einem Belüftungseingang übergibt, und
einem an dem pneumatischen Proportionalventil angeschlossenen Luftverstärker, wie
einem Booster, der insbesondere an dem pneumatischen Volumenstromverstärker über den
Verstärkungseingang angeschlossen ist. Sollten mehrere Belüftungseingänge und/oder
Verstärkungseingänge vorgesehen sein, kann jeweils für jeden Eingang ein eigener Booster
oder Stellungsreglerausgang angeschlossen sein.
[0032] Vorzugsweise ist ein Belüftungsquerschnitt für das erste Belüftungssitzventil kleiner
als der Belüftungsquerschnitt des wenigstens zweiten Belüftungsventils, des Dritten
und der folgenden Belüftungssitzventile. Auf diese Weise soll ein feinfühliges Regelverhalten
des pneumatischen Antriebs erreicht werden. Zum Öffnen mehrere Sitzventil-Querschnitte
können hohe Luftmengen dem pneumatischen Antrieb zugeschaltet werden, wodurch schnelle
Schaltzeiten erreicht werden können.
[0033] Dank der erfindungsgemäßen Proportionalventileinheit bzw. dem erfindungsgemäßen Volumenstromverstärker
sind verschiedene Ventileinsätze mit unterschiedlichen Luftmengen nutzbar, ohne dass
die Baugröße der gesamten Einheit des Proportionalventils verändert werden muss.
[0034] Es sei klar, dass eine vorzugsweise mechanische Druckbegrenzung insbesondere bei
dem zweiten und dritten Belüftungssitzventil vorgesehen sein kann.
[0035] In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungen angegeben.
[0036] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende
Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
deutlich, in denen zeigen:
- Fig. 1a
- eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Proportionalventils
in einer ersten Betriebsstellung, nämlich die Entlüftung;
- Fig. 1b
- eine schematische Querschnittsansicht des pneumatischen Proportionalventils gemäß
Fig. 1a in einer weiteren Betriebsstellung, nämlich dem Regelungsbelüften;
- Fig. 1c
- eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen pneumatischen Proportionalventils
gemäß Fig. 1a und 1b in einer dritten Betriebsstellung, nämlich der Booster-Betriebsstellung;
- Fig. 2
- ein Funktionsdiagramm der verschiedenen Betriebsstellungen des erfindungsgemäßen pneumatischen
Proportionalventils; und
- Fig. 3
- eine schematische Prinzipskizze eines in einem Feldgerät einer prozesstechnischen
Anlage integrierten erfindungsgemäßen pneumatischen Proportionalventil.
[0037] In Fig. 1a bis 1c ist der erfindungsgemäße Volumenstromverstärker oder Servoventileinrichtung
im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen. Der Volumenverstärker 1 ist eine Mehrsitzventileinrichtung
mit einer kompakten Ventilsitzanordnung, die mehrere Ventilsitze bildet, nämlich ein
Entlüftungssitzventil 3, ein erstes Belüftungssitzventil 5 und ein zweites Belüftungssitzventil,
das auch als Boostersitzventil oder Verstärkersitzventil 7 bezeichnet werden kann.
[0038] Die drei Sitzventile 3, 5, 7 sind in einem gemeinsamen Verstärkergehäuse untergebracht,
das einteilig, zweiteilig oder mehrteilig sein kann, wobei jedes Gehäuseteil mit dem
anderen starr gekoppelt ist, um die Gehäuseeinheit zu bilden, wie sie beispielsweise
schematisch in den Figuren 1a bis 1c gezeichnet ist. Das jeweilige Sitzventil hat
die Aufgabe, einen pneumatischen Verbindungskanal zwischen einem Steuerausgang 23
und einem jeweiligen Eingang 15, 17 oder Entlüftung 13 freizugeben und zu sperren,
weswegen jedes Sitzventil 3 bis 7 einen Ventilkörper 3.1, 5.1, 7.1 sowie einen Ventilsitz
3.2, 5.2, 7.2 aufweist, der gehäusefest ist. Der Ventilkörper ist relativ zu dem jeweiligen
Ventilsitz beweglich, was im Folgenden erläutert wird. Jedes Sitzventil 3 bis 7 ist
durch einen beweglichen Ventilkörper sowie einen zugeordneten Ventilsitz gebildet,
wobei jedes Sitzventil je nach Stellung des Ventilkörpers einen veränderlichen, sitzventilindividuellen
Durchlassquerschnitt freigeben kann.
[0039] Bei dem Entlüftungssitzventil 3 ist ein kegelförmiger Entlüftungsventilkörper 3.1
vorgesehen, der mit einem zugeordneten Entlüftungsventildichtsitz 3.2 zusammenarbeitet.
Bei dem Belüftungssitzventil 5 ist ein kegelförmiger Belüftungsventilkörper 5.1 vorgesehen,
der einem Belüftungsventildichtsitz 5.2 zugeordnet ist. Das Boostersitzventil 7 hat
einen kegelförmigen Boosterventilkörper 7.1, der einem Boosterventildichtsitz 7.2
zugeordnet ist.
[0040] Das Boostersitzventil 7 ist in einer zwischen dem Steuerausgang 23 und einem zweiten
Belüftungseingang 17 (Verstärkungseingang) angeordnet, an dem ein pneumatischer Verstärker,
wie ein Booster (nicht näher dargestellt), angeschlossen sein kann.
[0041] Alle drei Sitzventile 3, 5, 7, wie oben dargelegt, definieren einen veränderbaren
und schließbaren Durchlassquerschnitt Q
1, Q
2, Q
3 der durch den Ventilkörper 3.1, 5.1, 7.1 veränderbar ist.
[0042] Wie in Fig. 1a bis 1c ersichtlich, sind die Ventildichtsitze 3.2, 5.2, 7.2 allesamt
durch ortsfeste Gehäuseabschnitte gebildet, welche dem erfindungsgemäßen pneumatischen
Volumenstromverstärker 1 in eine Montageeinheit bilden. Sämtliche pneumatische Leitungen
zwischen den einzelnen Sitzventilen 3, 5, 7 sind durch Kanäle innerhalb der Gehäuseblockstruktur
realisiert. Die jeweiligen Ventildichtsitze 3.2, 5.2, 7.2 sind beispielsweise durch
Innenvorsprünge realisiert, relativ zu denen die jeweiligen Ventilkörper 3.1, 5.1,
7.1 beweglich gelagert sind.
[0043] Wie in Fig. 1a bis 1c ersichtlich ist, werden sämtliche Ventilkörper 3.1, 5.1 und
7.1 durch eine Betätigungsstange zumindest geführt, insbesondere in einer geraden
Stelllängsrichtung geführt, und zumindest teilweise betätigt.
[0044] Es sei darauf hingewiesen, dass bei der in Fig. 1a bis 1c dargestellten Ausführung
des erfindungsgemäßen pneumatischen Volumenstromverstärkers genau nur ein (1) Boostersitzventil
7 vorgesehen ist. Es sei klar, dass auch zwei, drei oder mehrere Verstärker- bzw.
Boostersitzventile 7 in dem Volumenstromverstärker 1 untergebracht sein können, die
zu unterschiedlichen Stellpositionen der Betätigungsstange 11 aktiviert bzw. deaktiviert
sind, entsprechend der Funktionsweise des einen Boostersitzventils 7, das in der Figurenreihe
1a bis 1c beschrieben ist. Sollten mehrere Boostersitzventile 7 vorgesehen sein, so
werden diese nacheinander je nach Stellung der Betätigungsstange verlagerungsversetzt
betätigt.
[0045] Mit der kompakten Bauweise des Volumenstromverstärkers 1 gemäß der Konstruktion nach
Fig. 1a bis 1c ist es möglich, eine Außenverrohrung zwischen dem pneumatischen Antrieb,
dem pneumatischen Stellungsregler und dem Proportionalventil vollkommen auszuschließen,
da das Proportionalventil 1 unmittelbar an das pneumatische Antriebsgehäuse und/oder
an das Stellungsreglergehäuse anflanschbar ist. Die blockartige Gehäusestruktur des
Volumenstromverstärkers 1 hat eine Eingangsseite, die auch als Stellungsreglerseite
bezeichnet werden kann, und an der ein nicht näher dargestellter Stellungsregler angeflanscht
werden kann. Dabei hat die Eingangsseite 10 ein Eingangsbild, das mit dem Ausgangsbild
des Stellungsreglers spiegelbildlich übereinstimmen kann, um die jeweiligen Eingänge
des Volumenstromverstärkers 1 zu bedienen. Im Detail hat die Eingangsseite eine Entlüftungsöffnung
13, einen ersten pneumatischen Eingang, nämlich einen Belüftungseingang 15, der mit
einer Druckluftversorgung 91 direkt gekoppelt sein kann oder an ein pneumatisches
Steuerausgangssignal Y
2 des Stellungsreglers 63 anzuschließen ist oder an einem weiteren Booster (67) gekoppelt
ist, sowie einen zweiten pneumatischen Eingang, nämlich einen Verstärkungseingang
17, der direkt mit der Druckluftversorgung 91 (beispielsweise 6 bar) gekoppelt ist
oder mit einem pneumatischen Booster (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Druckluftversorgung
91 sowie der pneumatische Booster können in Reihe hintereinander geschaltet sein.
Sollten mehrere pneumatische Verstärker, wie Booster, vorgesehen sein, können mehrere
Verstärkungseingänge und entsprechende Kanäle, die zu Ventilsitzen führen, vorgesehen
sein. Schließlich hat die Eingangsseite 10 einen dritten pneumatischen Eingang, einen
Membranantriebseingang 35, an den ein pneumatisches Steuerausgangssignal Y
1 empfangen werden kann.
[0046] Des Weiteren hat die Ventilgehäuseeinheit des erfindungsgemäßen Volumenstromverstärkers
1 eine Ausgangsseite 21, welche auch als Antriebsseite bezeichnet werden kann, und
an der das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 an einem pneumatischen Stellantrieb
(nicht näher dargestellt) angeschlossen werden kann. Die Ausgangsseite hat genau einen
pneumatischen Steuerausgang 23, wobei auch weitere Steuerausgänge für den erfindungsgemäßen
Volumenstromverstärker vorgesehen sein können.
[0047] Sowohl die Entlüftungsöffnung 13 als auch der erste pneumatische Belüftungseingang
15 als auch der zweite Belüftungseingang oder erste pneumatische Verstärkungseingang
17 sind über eine jeweilige pneumatische Kanalverbindung mit dem pneumatischen Steuerausgang
23 verbunden, wobei das jeweilige Sitzventil 3, 5, 7 die pneumatische Kanalverbindung
unterbrechen und freigeben kann.
[0048] Der erfindungsgemäße Volumenstromverstärker 1 hat eine gemeinsame Sitzventil-Betätigung,
die auf alle Sitzventile 3 bis 7 mechanisch einwirkt, um entweder eine Betätigung
zu vermeiden, eine Verlagerung zu führen oder eine Verlagerung beispielsweise durch
Mitnahme zu bewirken. Die gemeinsame Sitzventilbetätigung umfasst bei der dargestellten
Ausführung einen Membranantrieb 31, der in der Längsrichtung gesehen an einem Ende
der Gehäuseeinheit des Volumenstromverstärkers 1 angeordnet sein kann. Der Membranantrieb
31 hat eine pneumatische Arbeitskammer 33, die an einem weiteren pneumatischen Membranantriebseingang
35 an der Eingangsseite 10 angeschlossen ist. Die Arbeitskammer 33 empfängt über den
Membranantriebseingang 35 das pneumatische Steuersignal Y
1, das sich von dem über den ersten pneumatischen Belüftungseingang 15 dem Proportionalventil
1 zugeführte Steuerungssignal Y
2 unterscheidet. Bei einer Ausführung, die insbesondere in Figur 3 angedeutet ist,
kann ein separates Sicherheitsventil 34 direkt an den Membranantriebseingang 35 angeschlossen
sein, wobei das pneumatische Regelungssignal Y
2 nur an dem Belüftungseingang 15 zugeführt wird. Mittels des Sicherheitsventils 34
kann der Membranantriebseingang 35 und die Arbeitskammer 33 zwangsentlüftet werden.
In diesem Fall drängt die Antriebsfeder 40 die Betätigungsstange 11 in Richtung X
1, sodass das Entlüftungssitzventil 3 geöffnet wird sowie das Belüftungssitzventil
5 und das Boostersitzventil 7 geschlossen werden. Folglich fährt der pneumatische
Stellantrieb 73 das zu betätigende Prozessventil in eine Sicherheitsstellung.
[0049] Der Membranantrieb 31 hat des Weiteren eine (Niederdruck-)Federrückstellkammer 39,
wobei auch eine ausschließlich pneumatisch betriebene Rückstellkammer vorgesehen sein
kann. In diesem Fall ist ein weiterer Antriebseingang vorgesehen, der in der in Fig.
1a bis 1c dargestellten Ausführung nicht vorgenommen ist. Die Rückstellkammer 39 ist
pneumatisch und der Kanal 38 mit der Entlüftungsöffnung 13 gekoppelt.
[0050] Wie in Fig. 1a bis 1c ersichtlich ist, ist der Membranantrieb 31 mit einem die beiden
Arbeitskammern 33 begrenzenden Membranteller ausgebildet, an dem eine Stellstange
11 befestigt ist, so dass je nach Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer 33 die Stellstange
11 in translatorischer Richtung X linear gestellt werden kann. Dabei wird die eine
gerade Verlagerungsrichtung (Verlagerungshinrichtung) mit X
2 bezeichnet, wobei die gegenläufige, gerade Verlagerungsrichtung (Verlagerungsherrichtung)
mit X
1 bezeichnet sein soll.
[0051] Das Entlüftungssitzventil 3 sowie das Boostersitzventil 7 sind über eine gemeinsame
Druckfeder in entgegengesetzten Verlagerungsrichtungen X
1 und X
2 federvorgespannt. Die gemeinsame Druckfeder drückt den Ventilkörper 3.1 entweder
gegen den Entlüftungsdichtsitz 3.2 oder einen Entlüftungsmitnehmer 47, der an der
Betätigungsstange ortsfest angebracht ist. Die gemeinsame Druckfeder 41 drückt den
Boosterventilkörper 7.1 gegen den zugeordneten Boosterdichtsitz 7.2 oder den Boostermitnehmer
51. In dem in Fig. 1a dargestellten Entlüftungsbetriebszustand des Volumenstromverstärkers
1 ist der Entlüftungsventilkörper 3.1 gegen den Entlüftungsmitnehmer 47 durch die
Druckfeder 41 gezwungen, während der Boosterventilkörper 7.1 gegen den Boosterdichtsitz
7.2 gedrückt ist.
[0052] Der Ventilkörper 3.1 wird stets dann geöffnet, wenn der Antriebseingang 35 entlüftet
wird, wobei in diesem Betriebszustand das Belüftungssitzventil 5 und das Boostersitzventil
7 geschlossen sind. Die gemeinsame Druckfeder 41 stützt sich einerseits an dem Entlüftungsventilkörper
3.1, andererseits an dem Verstärkungsventilkörper 5.1 ab.
[0053] In diesem Betriebszustand (Entlüftungszustand gemäß Figur 1a) ist der Belüftungsventilkörper
5.1 durch eine Druckfeder 43 gegen den zugeordneten Belüftungsdichtsitz 5.2 gedrückt,
wobei, wie in Fig. 1a ersichtlich ist, ein in Verlagerungsrichtung X noch leicht versetzter
Belüftungsmitnehmer 49 noch nicht im Mitnahmeeingriff mit dem Belüftungsventilkörper
5.1 steht.
[0054] Die Druckfeder 43 stützt sich an dem Gehäuse und an dem Belüftungsventilkörper 7.1
ab und drängt den Belüftungsventilkörper 7.1 in die Verlagerungsherrichtung X
1.
[0055] Die Stellstange 11 trägt den Entlüftungsmitnehmer 47, der als vorspringender Absatz
ausgebildet sein kann. Für das (erste) Belüftungssitzventil 5 ist der erste Belüftungsmitnehmer
49 an der Stellstange 11 vorgesehen. Schließlich ist für das Verstärkungssitzventil
7 der eigene Boostermitnehmer 51 vorgesehen, der mit dem Ventilkörper 7.1 des Verstärkungsbelüftungssitzventils
7 zusammenarbeitet.
[0056] Der Entlüftungsmitnehmer 47 hat die Aufgabe, den federvorgespannten Ventilkörper
3.1 des Entlüftungsventils 3 aus einer Schließstellung, wie in Fig. 1a ersichtlich
ist, mitzunehmen, um die Entlüftungsöffnung 13 direkt mit dem Steuerausgang 23 pneumatisch
zu verbinden und damit den pneumatischen Antrieb zu entlüften. Bei der Verlagerung
der Stellstange 11 in Verlagerungsherrichtung X
1, also bei entsprechendem Empfang eines Entlüftungssignals in der Arbeitskammer 33
über den Entlüftungseingang 13, drängen die Membranantriebsdruckfedern 40 die Stellstange
11 in Verlagerungsherrichtung X
1, wodurch der Entlüftungsmitnehmer 47 den Ventilkörper 3.1 mitnimmt, wodurch die Entlüftungskopplung
zwischen der Entlüftungsöffnung und dem Steuerausgang 23 realisiert ist.
[0057] Im Folgenden wird der Belüftungsbetriebszustand insbesondere anhand von Fig. 1b erläutert:
Bei Beaufschlagung der Arbeitskammer 33 des Membranantriebs 31 mit einem entsprechenden
pneumatischen Stellsignal von einem (in Fig. 1b) nicht näher dargestellten Stellungsregler
über den Antriebseingang 35 wird die Stellstange 11 in Verlagerungshinrichtung X2 (nach oben) verlagert, was durch die Druckfeder 41 veranlasst ist. Der Entlüftungsventilkörper
wird von der gemeinsamen Druckfeder 41 gegen den Entlüftungsmitnehmer 47 so lange
gedrückt, bis der Entlüftungsventilkörper 3.1 in einen Dichtkontakt mit dem Entlüftungsdichtsitz
3.2 gelangt, wodurch das Entlüftungssitzventil 3 geschlossen ist. Der Entlüftungszustand
des pneumatischen Antriebs ist beendet.
[0058] Mit der Verlagerung der Stellstange 11 in Verlagerungshinrichtung X
2 geht eine Verlagerung in dieser Verlagerungshinrichtung X
2 für den Belüftungsventilkörper 5.1 einher, sodass das Belüftungssitzventil geöffnet
wird. Der Durchlassquerschnitt Q
1 bestimmt die Stärke des pneumatischen Ausgangssignals am Steuerausgang 23, mit dem
der pneumatische Stellantrieb betätigt wird.
[0059] Im Falle eines starken Stelldrucksignals in der pneumatischen Arbeitskammer 33 des
Membranantriebs 31 wird die Stellstange 11 deutlich in Verlagerungshinrichtung X
2 überlagert, wodurch auch der Ventilkörper 7.1 des Verstärkungssitzventils 7 geöffnet
wird, wodurch das über den Verstärkungseingang 17 freigestellte pneumatische Verstärkungssignal
dem Steuerausgang 23 zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Weise wird eine deutliche
pneumatische Volumenstromerhöhung für den pneumatischen Stellantrieb zur Verfügung
gestellt.
[0060] Des Weiteren hat der erfindungsgemäße Volumenstromverstärker 1 einen Sensor 55, der
in einem Hohlraum 53 untergebracht ist und die Stellung der Stellstange 11 berührungslos
erfassen kann.
[0061] In Fig. 2 ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Rahmen
eines Diagramms verdeutlicht, das insbesondere die Servoverstärkerfunktion des Volumenstromverstärkers
darstellt.
[0062] Die Abszisse des Diagramms stellt die Stellverlagerung des Membranantriebs mit S
Membran zwischen 0 % (Entlüftung) und 100 % (Vollbelüftung) dar. Die Ordinate gibt die Verlagerung
der jeweiligen Ventilkörper 3.1, 5.1 oder 7.1 des Entlüftungssitzventils 3, des Belüftungssitzventils
5 und des Boostersitzventils 7 an. Die verschiedenen unterbrochenen Kennlinien geben
die Verlagerung der jeweiligen Ventilkörper 3.1, 5.1, 7.1 an. Die punktierte Linie
gibt die Verlagerung des Entlüftungsventilkörpers 3.1 in Abhängigkeit von der Stellverlagerung
des Membranantriebs S
Membran an. Die kurzgestrichelte Linie zeigt die Verlagerung des Boosterventilkörpers 7.1
in Abhängigkeit von der Verlagerung des Membranantriebs an. Die langgestrichelten
Linien zeigen zwei Varianten für zwei unterschiedlich konzeptionierte Belüftungssitzventile
5.
[0063] Längs des Stellwegs S
1 wird das Entlüftungsventil 3 allmählich geschlossen, das von der 100%-Öffnungsstellung
bis zur 0%-Schließstellung verlagert wird. Bei S
1 ist das Entlüftungsventil 3 noch nicht ganz verschlossen, allerdings beginnt das
Belüftungssitzventil 5 aktiv zu werden und den Steuerausgang mit einem Volumenstrom
zu beaufschlagen. Dabei kann eine schnelle Öffnungsbewegung (5.1b) oder eine geringere
Öffnungsgeschwindigkeit (5.1a) je nach Auslegung des Belüftungssitzventils 5 realisiert
sein, was durch die beiden Langstrichlierten Linien 5.1a, 5.1b verdeutlicht sein soll.
Das Boostersitzventil 7 ist innerhalb des Stellwegbereichs S
2 (noch) inaktiv. In diesem Stellwegbereich S
2 werden kleine Luftmengen dem Steuerausgang 23 zugeführt, wodurch eine präzise Verlagerung
ohne Überschwingrisiko erreicht wird.
[0064] In dem Stellwegbereich S
2 ist das Entlüftungsventil noch geöffnet. Über den Stellwegbereich S
2 hinaus ist das Entlüftungsventil 3 stets geschlossen. Bei einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das Entlüftungssitzventil 3 derart eingestellt, dass es nicht vollständig
in die 100% offenen Stellung fahren wird, sondern der Entlüftungsmitnehmer 47 ist
so platziert, dass er den Entlüftungsventilkörper 3.1 nicht vollständig öffnen kann.
Folglich kann der Entlüftungsventilkörper 3.1 nicht die 100%-Stellung einnehmen, was
durch den Stellwegverlauf a angedeutet sein soll. Auf diese Weise soll eine Betätigung
des Entlüftungssitzventils 3 vermieden werden.
[0065] Ab dem Stellweg S
2 bis zum Ende des Stellwegbereichs S
3 ist ausschließlich das Belüftungsventil 5 geöffnet, um am Steuerausgang 23 den geregelten
Stelldruck dem nicht dargestellten Stellantrieb mitzuteilen. Gemäß der schnellen Öffnungsbewegung
(5.1b) bewegt sich das Belüftungssitzventil 5 in diesem Bereich zwischen 40 % und
90 % der maximalen Öffnungsstellung. Gemäß der langsamen Öffnungsbewegung (5.1a) bewegt
sich das Belüftungsventil in diesem Bereich zwischen 20 % und 50 % der maximalen Öffnungsstellung.
Durch konstruktive Einstellung des Belüftungssitzventils 5 kann das Belüftungsvolumen
innerhalb des Stellwegbereichs S
3 eingestellt werden, ohne dass die Pneumatik des vorgeschalteten Stellungsreglers
verändert sein müsste. Auf diese Weise kann ein standardisierter Stellungsregler individuell
auf Stellantriebs- und/oder Betriebsbesonderheiten individualisiert werden.
[0066] Um ein schnelles Zuschalten eines Stelldrucks für den pneumatischen Antrieb zu ermöglichen,
ist ab dem Stellweg S
3, etwa bei 60 % des Stellwegs (S
Membran) der Stellstange 11 in Stellverlagerungshinrichtung X
2 eine Boosterluftzufuhr (7.1) aktiviert. Der Stellungsregler 63 mit der Boosterluftzufuhr
kann eine abrupte, aus der kontinuierlichen Belüftungsänderung abweichende Erhöhung
des Volumenstroms und des Volumendrucks innerhalb des Stellwegbereichs S
4 erreichen.
[0067] Um eine Begrenzung für das Boosterbelüften zu ermöglichen und damit einer Beschädigung
des Boostersitzventils und des Stellantriebs vorzubeugen, kann eine Begrenzung (Bereich
Z), (Lage des Mitnehmers 51) für das Boosterventil 7 vorgesehen sein, die ein vollständiges
Öffnen des Boostersitzventilkörpers 7.1 verhindert.
[0068] Die Stellwege S
1, S
2, S
3, S
4 und die Übergänge von Entlüften zu Belüften sowie zwischen Belüften und Verstärken,
ob hintereinander folgend oder mit Überschneidungen, sind für den Konstrukteur einstellbar,
je nachdem wie der Membranantriebhub und die Mitnehmer 47, 51, 49 zusammenwirken und
insbesondere mit der Ventilkennlinie abgestimmt sind.
[0069] In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Feldgerät 81 oder Feldgerätanordnung mit dem
erfindungsgemäßen Volumenstromverstärker 1 ausgestattet. Die strukturelle Grenze des
Proportionalventils 1 ist punktiert angedeutet und ist durch die in Fig. 3 nicht näher
dargestellte Gehäusestruktur gebildet, welche die Eingänge/Öffnungen 13, 15, 17, 23
und 35, wie sie oben genannt sind, definiert. Die Gehäusestruktur kann an eine andere
separate Gehäusestruktur beispielsweise des Stellungsreglers 63, des Stellantriebs
73 oder der Stellarmatur 65 des Feldgeräts 81 angeflanscht sein, wodurch eine pneumatische
Verrohrung zwischen dem Stellungsregler 63 und dem Volumenstromverstärker 1 entfällt.
[0070] In dem Volumenstromverstärker 1 sind das Entlüftungsventil 3, das Belüftungs- oder
Regelungssitzventil 5 und das Boostersitzventil 7 schematisch skizziert, wobei dessen
Antriebsfeder 40 ebenfalls angedeutet ist. Die Entlüftungsöffnung 13 ist an eine atmosphärische
Drucksenke 61 angeschlossen. Der Belüftungs- oder Regelungseingang 35 ist an einem
Regelungsausgang y
1 des Stellungsreglers 63 angeschlossen, der von einer nicht dargestellten Leitwarte
ein Sollstellsignal t erhält. Zusätzlich empfängt der Stellungsregler 63 Positionsdaten
p
1, über die Stellung der Stellarmatur, die von einer von dem Stellantrieb 73 angetriebenen
Stellantriebsstange 65 betätigt ist. Des Weiteren empfängt der Stellungsregler 63
Positionsdaten p
2 von einem Sensor 55, der die Betätigungsstange 11 des Membranantriebs 31 des Volumenstromverstärkers
1 abtastest. Der Stellungsregler 63 hat einen zweiten pneumatischen Ausgang, über
den das weitere pneumatische Stellsignal Y
2 abgebbar ist, das gegenüber dem an dem Ausgang abgegebenen pneumatischen Stellausgangssignal
Y
1 vollkommen unabhängig erzeugt und geregelt sein kann, und mit dem der pneumatischer
Verstärker (Booster) 67 angesteuert wird.
[0071] Der Stellungsregler 63 kann mehrere pneumatische Steuerausgänge Y
i aufweisen, wie es beispielsweise in einem spezifischen Stellungsregler realisiert
ist, der in der Patentanmeldung
DE 10 2012 021 387.5 beschrieben ist, welche Patentanmeldung Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung
sein soll.
[0072] Der pneumatische Verstärker 7 hat den Verstärkungscharakter κ, der ein pneumatisches
Verstärkungssignal über den Verstärkungseingang 17 dem Volumenstromverstärker 1 zuführt.
[0073] Der pneumatische Steuerausgang 23 ist an eine Stellantriebskammer 71 des pneumatischen
Stellantriebs 73 angeschlossen, der ein nicht näher dargestelltes Stellventil der
prozesstechnischen Anlage durch die Stellstange 65 betätigt.
[0074] Schaltet das Sicherheitsventil 34, dann wird der Membran-Antriebseingang 35 entlüftet,
wobei aufgrund der Antriebsfedern 40 des Membranantriebs 31 die Entlüftung durch das
Entlüftungssitzventil 3 ausgelöst wird.
[0075] Das Sicherheitsventil 34 kann die Entlüftung des Membranantriebs 31 und damit des
Volumenstromverstärkers 1 und damit des Stellantriebs 73 veranlassen, um ein schnelles
und unabhängiges Schalten in die Sicherheitsstellung zu erreichen.
[0076] In einem ersten Betriebszustand, bei dem das Entlüftungssignal am Membranantriebseingang
35 anliegt, drücken die Antriebsfedern 40 des Membranantriebs 31 die Tellermembran,
an dem die Betätigungsstange 11 befestigt ist, in Verlagerungsherrichtung X
1, so dass das Entlüftungsventil 3 aus dessen Schließstellung mitgenommen und geöffnet
ist (Fig. 1a). Der Steuerausgang 23 wird über die Entlüftungsöffnungen 13 dem Atmosphärendruck
ausgesetzt, so dass der pneumatische Stellantrieb 73 pneumatisch direkt mit der Drucksenke
61 gekoppelt ist.
[0077] Sollte kein Entlüftungssignal bei 35 anlegen, wird gemäß einem zweiten Betriebszustand
ein geregeltes Stellsignal (mit kleiner Luftmenge) von dem Stellungsregler 63 dem
Belüftungseingang 35 zugeführt. Das Entlüftungsventil 3 schließt entgegen den Antriebsfedern
des Membranantriebs 31. Aufgrund der Verlagerung der Betätigungsstange 11 in Verlagerungshinrichtung
X
2 öffnet das erste Belüftungssitzventil 5, wie in Figur 1b dargestellt ist, wodurch
der pneumatische Steuerausgang 23 mit einem Stellregeldruck beaufschlagt ist, der
durch die Charakteristika des Volumenstromverstärkers 1 mit festgelegt wird und an
die pneumatische Arbeitskammer 71 des Stellantriebs 73 weitergeleitet wird. Über ein
weiteres pneumatisches separates Stellsignal Y
2 kann zum Beispiel der zusätzliche Booster 67 aktiviert werden. Bei einer Weiterverlagerung
der Betätigungsstange 11 in Verlagerungshinrichtung X
2 wird nun auch das Verstärkungssitzventil 7 geöffnet. Auf diese Weise werden große
Luftmengen an den pneumatischen Steuerausgang 23 übergegeben.
[0078] Erfindungsgemäß ist es möglich, mit einer mechanischen Pneumatikeinheit insbesondere
ohne Elektronikkomponenten in dem erfindungsgemäßen Proportionalventilbetrieb flexibel
eine Notentlüftung, eine Regelungsbelüftung und eine Boosterbelüftung einzustellen.
Nur eine Elektronikkomponente in Form eines Positionssensors, der die Stellung der
die Sitzventil-Betätigung erfassen kann, kann vorgesehen sein. Weitere Elektronikkomponenten
insbesondere zur Schaltung des pneumatischen Verstärkers sowie der Regelungsbelüftung
sind bei dem erfindungsgemäßen Volumenstromverstärker 1 obsolet. Es könnten weitere
Elektronikkomponenten, wie ein Grenzkontakt, beispielsweise ein Reed-Kontakt, montiert
werden, um das Einnehmen der Sicherheitsstellung oder Notstellung zu signalisieren.
Auch ein getrenntes, zertifiziertes Stellsignal kann ausgegeben werden, um die Sicherheitsfunktion
des Volumenstromverstärkers getrennt zum Beispiel über einen Partial-Stroke-Test (PST)
zu diagnostizieren.
[0079] Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung
der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste
[0080]
- 1
- Volumenstromverstärker
- 3
- Entlüftungssitzventil
- 3.1
- Entlüftungsventilkörper
- 3.2
- Entlüftungsdichtsitz
- 5
- Belüftungssitzventil
- 5.1
- Belüftungsventilkörper
- 5.2
- Belüftungsdichtsitz
- 7
- Boostersitzventil
- 7.1
- Boosterventilkörper
- 7.2
- Boosterdichtsitz
- 10
- Eingangsseite
- 11
- Betätigungsstange
- 13
- Entlüftungsöffnung
- 15
- Belüftungseingang
- 17
- Verstärkungseingang
- 21
- Ausgangsseite
- 23
- Steuerausgang
- 31
- Membranantrieb
- 33
- Arbeitskammer
- 34
- Sicherheitsventil
- 35
- Membranantriebseingang
- 39
- Rückstellkammer
- 40
- Antriebsfedern
- 41, 43
- Druckfeder
- 47
- Entlüftungsmitnehmer
- 49
- Belüftungsmitnehmer
- 51
- Mitnehmer
- 53
- Hohlraum
- 55
- Sensor
- 61
- Drucksenke
- 63
- Stellungsregler
- 65
- Stellstange
- 67
- pneumatischer Verstärker (Booster)
- 71
- Stellantriebskammer
- 73
- pneumatischer Stellantrieb
- 81
- Feldgerät
- 91
- Druckluftversorgung
- κ
- Verstärkungscharakter
- p1, p2
- Positionsdaten
- Y1, Y2, Yi
- pneumatischer Regelungsausgang (-signal)
- Q1, Q2
- Durchlassquerschnitt
- X1
- Verlagerungsherrichtung
- X2
- Verlagerungshinrichtung
- a, z
- Stellwegbegrenzung
- t
- Sollstellsignal
1. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) zum Verstärken eines pneumatischen Stelldruckausgangssignals
eines Stellungsreglers, der einen pneumatischen Antrieb, wie einen pneumatischen Stellantrieb
(73), zum Betätigen einer Stellarmatur, wie eines Stellventils, einer prozesstechnischen
Anlage, wie einer petrochemischen Anlage, einer Lebensmittelverarbeitungsanlage, wie
eine Brauerei, oder dergleichen, belüftet und/oder entlüftet, umfassend:
- einen pneumatischen Steuerausgang (23) zum Anschluss an eine pneumatische Arbeitskammer
des pneumatischen Antriebs;
- einen pneumatischen Belüftungseingang (15) insbesondere zum Empfangen eines pneumatischen
Stelldruckausgangssignals (Y2) eines Stellungsreglers (63);
- wenigstens einen pneumatischen Verstärkungseingang (17), insbesondere zum Empfangen
eines insbesondere konstanten pneumatischen Luftverstärkungssignals, wie eines Boostersignals;
- eine pneumatische Entlüftungsverbindung von dem Steuerausgangs (23) zu einer Drucksenke
(61) zum Entlüften des Stellantriebs (73);
- ein die pneumatische Entlüftungsverbindung trennendes und/oder öffnendes Entlüftungssitzventil
(3);
- eine pneumatische Belüftungsverbindung zwischen dem ersten Belüftungseingang (15)
und dem Steuerausgang (23);
- ein die pneumatische Belüftungsverbindung trennendes und/oder öffnendes Belüftungssitzventil
(5);
- eine pneumatische Verstärkungsverbindung zwischen dem Verstärkungseingang (17) und
dem Steuerausgang (23);
- ein die pneumatische Verstärkungsverbindung trennendes und/oder öffnendes Verstärkungssitzventil
(7); und
- eine mechanische Sitzventil-Betätigung zum gemeinsamen Betätigen des Entlüftungssitzventils
(3), des ersten Belüftungssitzventils (5) und des Verstärkungssitzventils (7).
2. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach Anspruch 1, bei dem die gemeinsame Sitzventil-Betätigung
einen Membranantrieb (31) aufweist, der mit dem Entlüftungssitzventil (3), dem ersten
Belüftungssitzventil (5) und dem Verstärkungssitzventil (7) mechanisch gekoppelt ist,
wobei insbesondere die mechanische Koppelung derart gestaltet ist, dass der Membranantrieb
(31) gegenüber jedem Sitzventil (3, 5, 7) in einer Verlagerungsrichtung (X1; X2) des Membranantriebs frei laufen kann und in einer gegenläufigen Verlagerungsrichtung
(X2; X1) des Membranantriebs (31) bei Erreichen und Überschreiten einer vorbestimmten, insbesondere
sitzventilindividuellen Antriebsstellung des Membranantriebs (31) das jeweilige Sitzventil
(3, 5, 7) betätigt, insbesondere mitnimmt, wobei insbesondere in einer Verlagerungshinrichtung
(X2) des Membranantriebs (31) das Entlüftungssitzventil (3) frei läuft und das Belüftungssitzventil
(5) und das Verstärkungssitzventil (7) durch den Membranantrieb (31) betätigtbar sind,
während insbesondere in einer der Verlagerungshinrichtung (X2) gegenläufigen Verlagerungsherrichtung (X1) des Membranantriebs (31) das Belüftungssitzventil (5) sowie das Verstärkungssitzventil
(7) frei laufen und das Entlüftungssitzventil (3) durch den Membranantrieb (31) betätigbar
ist.
3. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) nach Anspruch 2, bei dem der Membranantrieb
(31) mit einer pneumatischen Arbeitskammer (33) und einer Rückstellkammer (9) ausgebildet
ist, wobei insbesondere der Membranantrieb (31) über einen gegenüber dem Belüftungseingang
(15) und Verstärkungseingang (17) unterschiedlichen pneumatischen Membranantriebseingang
(35) ein insbesondere weiteres pneumatisches Steuersignal (Y1) empfängt, das dazu dient, den Membranantrieb (31) zu steuern, um dem Volumenstromverstärker
(1) in den jeweiligen Betrieb, wie Regelungsverhalten oder Verstärkungsverhalten,
zu schalten, wobei insbesondere der Schaltpunkt des Zuschaltens der Luftverstärkung
durch Aktivierung des Verstärkungssitzventils (7), insbesondere durch das in Eingriff
Kommen der Sitzventilbetätigung mit dem Verstärkungssitzventil (7), realisiert ist.
4. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Membranantrieb
(31) in einer insbesondere abgeschlossenen Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers
(1) untergebracht ist, wobei insbesondere eine insbesondere an der Gehäusestruktur
in Verlagerungsrichtung (X1; X2) längsverschieblich gelagerte Betätigungsstange (11) mit einer die Kammern (33, 39)
des Membranantriebs (31) trennenden Membran gekoppelt ist, um die Betätigungsstange
(11) in einer translatorischen Verlagerungsrichtung (X1; X2) entsprechend dem über den Membranantriebseingang (35) empfangenen pneumatischen
Steuersignal von dem Stellungsregler (63) zu stellen.
5. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem
die gemeinsame Sitzventil-Betätigung ein Betätigungsglied, wie eine Betätigungsstange
(11) oder eine Betätigungswelle, aufweist, das insbesondere von dem Membranantrieb
(31) betrieben ist, wobei insbesondere das Betätigungsglied gegenüber dem Belüftungssitzventil
(5) und dem Verstärkungssitzventil (7) in einer Verlagerungsrichtung (X1), insbesondere allen Sitzventilen (3, 5, 7), freilaufend strukturiert ist und insbesondere
für jedes Belüftungssitzventil (5, 7, insbesondere allen Sitzventilen (3, 5, 7), einen
zugeordneten, betätigungsgliedfesten Mitnehmer aufweist, um das jeweilige Sitzventil
(3, 5, 7) nur in einer der beiden Verlagerungsrichtungen (X1; X2) mitzunehmen.
6. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem
die gemeinsame mechanische Sitzventil-Betätigung das vorzugsweise in dessen Schließstellung
federvorgespannte Entlüftungssitzventil (3) aus dessen Schließstellung mitnimmt sowie
öffnet und/oder bei dem die gemeinsame mechanische Sitzventilbetätigung das vorzugsweise
in dessen Schließstellung federvorgespannte Belüftungssitzventil (5) aus dessen Schließstellung
mitnimmt sowie öffnet und/oder bei dem die gemeinsame mechanische Sitzventilbetätigung
das vorzugsweise in dessen Schließstellung federvorgespannte Verstärkungssitzventil
(7) aus dessen Schließstellung mitnimmt sowie öffnet, wobei insbesondere die jeweilige
Mitnahme des Entlüftungssitzventils (3), des Belüftungssitzventils (5) und/oder des
Verstärkungssitzventils (7) abhängig von dem Verlagerungsweg der mechanischen Sitzventilbetätigung
ist, wobei insbesondere eine Federvorspannung des Entlüftungssitzventils (3) und des
Verstärkungssitzventils (7) durch eine gemeinsame Druckfeder gebildet ist, die sich
einerseits an dem Entlüftungssitzventil (3) und andererseits an dem Verstärkungssitzventil
(7) abstützt.
7. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei
dem die Sitzventil-Betätigung nur zwei diametral entgegengesetzte Verlagerungsrichtungen
(X
1; X
2), insbesondere translatorische oder rotatorische Verlagerungsrichtungen, aufweist,
wobei insbesondere die gemeinsame mechanische Sitzventil-Betätigung derart mit den
Sitzventilen (3, 5, 7) gekoppelt ist, dass bei einer Verlagerung in eine erste Verlagerungsrichtung
(X
1)
a) nur das Entlüftungssitzventil (3) aus dessen erzwungenen Schließstellung durch
die mechanische Sitzventil-Betätigung verlagert wird; und/oder
b) das Belüftungssitzventil (5) in dessen Schließstellung gezwungen wird; und
c) das Verstärkungssitzventil (7) in dessen Schließstellung gezwungen wird.
8. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei
dem die Sitzventil-Betätigung genau zwei diametral entgegengesetzte Verlagerungsrichtungen
(X
1; X
2), insbesondere translatorische oder rotatorische Verlagerungsrichtungen, aufweist,
wobei insbesondere die mechanische Sitzventil-Betätigung derart mit den Sitzventilen
(3, 5, 7) gekoppelt ist, dass bei einer Verlagerung in einer zweiten Verlagerungsrichtung
(X
2)
a) das Verstärkungssitzventil (7) aus dessen erzwungenen Schließstellung durch die
mechanische Sitzventil-Betätigung verlagert wird; und/oder
b) das erste Belüftungssitzventil (5) aus dessen erzwungenen Schließstellung durch
die mechanische Sitzventil-Betätigung verlagert wird; und
c) das Entlüftungssitzventil (3) von der Sitzventil-Betätigung unbetätigt frei laufen
können,
wobei insbesondere die erste und zweite Verlagerungsrichtung (x
1; x
2) entgegengesetzt sind.
9. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei
dem der pneumatische Verstärkungseingang (17) und die Entlüftungsöffnung (13) längs
eines jeweiligen Verbindungskanals in eine Doppelventil-Kammer der Gehäusestruktur
des Volumenstromverstärkers (1) münden, in der sowohl das Entlüftungssitzventil (3)
als auch das Verstärkungssitzventil (7) beweglich in Verlagerungsrichtung (X1, X2) gelagert sind und von der sich ein gemeinsamer Steuerausgangskanal hin zu dem pneumatischen
Steuerausgang (23) erstreckt, und/oder bei dem der pneumatische Belüftungseingang
(15) in eine Einzelventil-Kammer mündet, in der das Belüftungssitzventil (5) beweglich
gelagert ist und von der sich ein Zulaufkanal hin zu dem Steuerausgang (23) erstreckt,
wobei insbesondere die jeweiligen Ventilsitze (3.2, 5.2, 7.2) durch eine Gehäuseinnenwandung
der jeweiligen Ventilkammer gebildet sind und/oder die jeweiligen Kanäle in einer
Gehäuseblockstruktur des Volumenstromverstärkers (1) ausgebildet sind.
10. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem
ein weiterer pneumatischer Verstärkungseingang, an dem insbesondere eine konstante
Druckluftversorgung angeschlossen ist, und ein weiteres, eine weitere pneumatische
Verstärkungsverbindung zwischen dem weiteren Verstärkungseingang und dem Steuerausgang
(23) trennendes und/oder öffnendes Verstärkungssitzventil, insbesondere ein zweites
Boostersitzventil, vorgesehen sind, wobei die gemeinsame Sitzventil-Betätigung auch
das weitere Verstärkungssitzventil betätigt und mechanisch entsprechend der Kopplung
mit dem (ersten) Verstärkungssitzventil ausgelegt ist.
11. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der
die gemeinsame Sitzventil-Betätigung eine Betätigungsstange (11) oder -welle aufweist,
wobei die Betätigungsstange oder -welle in einer den Steuerausgang (23) sowie die
pneumatischen Eingänge (15, 17, 35) bildenden kompakten Gehäusestruktur in Verlagerungsrichtung
translatorisch verschieblich gelagert ist, und/oder bei der ein Stellungssensor vorgesehen
ist, der die Stellung der gemeinsamen Sitzventil-Bestätigung, insbesondere der Betätigungsstange
(11) oder -welle, erfasst, wobei insbesondere der Stellungssensor mit dem Stellungsregler
verbindbar oder verbunden ist, um die Stellungsinformation über die Sitzventil-Betätigung
weiterzugeben.
12. Pneumatischer Volumenstromverstärker (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei
dem das Entlüftungssitzventil (3) einen relativ zur Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers
(1) insbesondere translatorisch verschieblich gelagerten, insbesondere kegelförmigen
Entlüftungsventilkörper (3.1) aufweist, der mit einem zugeordneten Entlüftungsventildichtsitz
(3.2) abdichtend oder freigebend zusammenwirkt, wobei insbesondere der Entlüftungsventilkörper
(3.1) gegen den Entlüftungsventildichtsitz (3.2) zum Schließen des Entlüftungssitzventils
(3) federvorgespannt ist, wobei insbesondere der Entlüftungsventildichtsitz (3.2)
durch einen Abschnitt der starren Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers (1)
realisiert ist, wobei insbesondere eine Druckfeder (41) den Entlüftungsventilkörper
(3.1) gegen den Entlüftungsventildichtsitz (3.2) drängt und sich insbesondere an einem
relativ zur Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers (1) insbesondere translatorisch
beweglich gelagerten, Verstärkungsventilkörper (7.1) des Verstärkungssitzventils (7)
abstützt, wobei insbesondere die Druckfeder (41) den Entlüftungsventilkörper (3.1)
und den Verstärkungsventilkörper (7.1) gegen den Entlüftungsventildichtsitz (3.2)
bzw. den Verstärkungsventildichtsitz (7.2) zu drängen.
13. Pneumatischer Volumenstromverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der
das Belüftungssitzventil (5) einen gegenüber der Gehäusestruktur des Volumenstromverstärkers
(1) insbesondere translatorisch gelagerten, insbesondere kegelförmigen Belüftungsventilkörper
(5.1) aufweist, der einem Belüftungsventildichtsitz (5.2) zugeordnet ist, wobei insbesondere
eine Druckfeder (43) dem Belüftungsventilkörper (5.1) derart zugeordnet ist, dass
der Belüftungsventilkörper (5.1) gegen den Belüftungsventildichtsitz (5.2) oder gegen
einen dem Belüftungsventilkörper (5.1) zugeordneten Mitnehmer der Sitzventil- Betätigung
gedrängt wird.
14. Feldgerät mit einem nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten pneumatischen
Volumenstromverstärker (1), einem Stellungsregler (63) und gegebenenfalls einem pneumatischen
Antrieb wobei der Volumenstromverstärker (1) mit dem Stellungsregler pneumatisch gekoppelt
ist, insbesondere mit einem pneumatischen Regelungsausgang des Stellungsreglers, wobei
der pneumatische Volumenstromverstärker (1) mit wenigstens einer insbesondere konstanten
pneumatischen Versorgungsquelle, insbesondere über einen Booster, gekoppelt ist, wobei
insbesondere der pneumatische Volumenstromverstärker (1) außenseitig an ein Gehäuse
des pneumatischen Antriebs unter Ausbildung einer pneumatischen Kopplung mit dem pneumatischen
Steuerausgang anmontiert, insbesondere angeflanscht, ist und/oder wobei insbesondere
der pneumatische Volumenstromverstärker (1) an entsprechende Ausgänge des Stellungsreglers
(63) unter Ausbildung einer pneumatischen Koppelung mit jeweiligen Belüftungseingängen
pneumatisch gekoppelt ist.
15. Feldgerätanordnung mit einem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildeten pneumatischen
Volumenstromverstärker (1), einem an dem Volumenstromverstärker (1) angeschlossenen
Stellungsregler (63), der dem pneumatischen Volumenstromverstärker (1) ein pneumatisches
Steuersignal (Y1, Y2) insbesondere an dem pneumatischen Membranantriebseingang (35) und dem Belüftungseingang
(15) übergibt, und eine an dem pneumatischen Volumenstromverstärker (1) angeschlossenen
Luftverstärkung, wie eine Druckluftversorgung (91), die insbesondere an dem pneumatischen
Volumenstromverstärker (1) über den Verstärkungseingang (17) angeschlossen ist.