DE2453575A1

DE2453575A1 - PNEUMATIC DRIVE

Info

Publication number: DE2453575A1
Application number: DE19742453575
Authority: DE
Inventors: Hans Engel; Klaus Weber
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1974-11-12
Publication date: 1976-05-13
Also published as: FR2291386A1; GB1481149A

Description

07-0311 Ge 9. November 197407-0311 Ge November 9, 1974

HONEYWELL GmbH 6000 Frankfurt am MainHONEYWELL GmbH 6000 Frankfurt am Main

Pneumatischer Antriebpneumatic drive

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Antrieb/ insbesondere Ventilantrieb,mit einem durch eine Membran in zwei Kammern unterteilten Gehäuse, wobei die Membran sich auf der einen Seite über in der einen Kammer angeordnete Federn gegen das Gehäuse abstützt und auf der anderen Seite von einem in die andere Kammer eingeleiteten Steuerdruck beaufschlagt ist.The invention relates to a pneumatic drive / in particular Valve drive with one divided into two chambers by a membrane Housing, with the membrane on one side over springs arranged in one chamber are supported against the housing and on the other side of one introduced into the other chamber Control pressure is applied.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 911 002 ist ein pneumatischer Antrieb für ein Ventil bekanntgeworden, der sich durch eine gedrungene Bauweise auszeichnet. Durch das Einsetzen einer oder mehrerer Federn zwischen einem Membranteller und dem Gehäuse wird der Federdruckberei ch bestimmt/ gege-ir^e&e von der anderen Seite des Membrantellers wirkende Steuerluft arbeiten muß. Im allgemeinen müssen neben dem Standardbereich von 0,2 bis 1,0 bar der notwendig ist, um den Nennhub des Antriebes zu durchfahren, Antriebe mit Bereichen von 0,4 bis 2,0 bar bzw. 0^.8 bis 2,4 bar lieferbar sein. Dies hängt damit zusammen, daß die meisten aller'Regelventile mit pneumatischem Antrieb revers betrieben werden. Dies bedeutet, daß bei Ausfall der Hilfsenergie, d.h. der Steuerluft,das Ventil selbsttätig in die Geschlossen-Steilung gehen muß. Da die Regel-From the German Auslegeschrift 1 911 002 a pneumatic drive for a valve has become known, which is characterized by a compact design. By inserting one or more springs between a membrane plate and the housing of the spring pressure preparation is determined ch / gege-ir ^e & e from the other side of the diaphragm plate acting control air must operate. In general, must in addition to the standard range of 0.2 to 1.0 bar which is necessary to pass through to the nominal stroke of the drive actuators with ranges of 0.4 to 2.0 bar and 0 ^ .8 to 2, 4 bar be available. This is due to the fact that most of all control valves with pneumatic actuators are operated in reverse. This means that if the auxiliary power, ie the control air, fails, the valve must automatically switch to the closed position. Since the rule

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ventile vorzugsweise von unten, d.h. gegen den Kegel und gegen die Schließkraft der Federn angeströmt werden, sollte die Vorspannkraft der Federn in der Geschlossen-Stellung des Ventils möglichst groß sein. Die Vorspannkraft kann überschlagsweise durch die Multiplikation von wirksamer Membranfläche χ Steuerdruck, bei dem das Ventil gerade vom Sitz abhebt, berechnet werden. Dieser Startpunkt revers arbeitender Ventile liegt üblicherweise zwischen 0,2 und 0,, 8 bar. Höhere Schließkräfte sind kaum zu verwirklichen, weil bei überdimensionierten Federn, d.h. Federn mit großer Federkonstante, der Steuerdruckbereich zu sehr nach oben verschoben wird. Andererseits ist es kaum möglich, Federn zu fertigen, die eine genügend hohe Vorspannung erzeugen, deren Federkonstante aber nur sehr gering ist. Solche Federn neigen zum Ausknicken und sie führen zudem zu einer großen Bauhöhe des Ventilantriebes .valves are preferably flown from below, ie against the cone and against the closing force of the springs, the biasing force of the springs should be as great as possible in the closed position of the valve. The preload force can be roughly calculated by multiplying the effective diaphragm area χ the control pressure at which the valve just lifts off the seat. This starting point for reversing valves is usually between 0.2 and 0.18 bar. Higher closing forces be difficult to achieve because is shifted oversized feathers, ie feathers with a large spring constant, the control pressure area too much upward. On the other hand, it is hardly possible to manufacture springs that generate a sufficiently high preload, but whose spring constant is only very low. Such springs tend to buckle and they also lead to a large overall height of the valve drive.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pneumatischen Antrieb der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ohne wesentliche Vergrößerung der Bauhöhe und ohne unzulässige Verschiebung des Steuerdruckbereiches nach oben die Schließkraft des Antriebs bei Ausfallen des Steuerdrucks wesentlich erhöht werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.It is the object of the present invention to provide a pneumatic To improve drive of the type mentioned in such a way that without a significant increase in the overall height and without impermissible displacement of the control pressure range upwards, the closing force of the drive can be increased significantly if the control pressure fails can. This object is achieved according to the invention characterized in claim 1. Further advantageous refinements the invention can be inferred from the subclaims.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:Based on one shown in the figures of the accompanying drawing Exemplary embodiment, the invention is described in more detail below. It shows:

Figur 1 ein Schnittbild des erfindungsgemäßen pneumatischen Antriebes undFigure 1 is a sectional view of the pneumatic drive according to the invention and

Figur 2 in einer Ansicht den erfindungsgemäßen Ventilantrieb in Zusammenarbeit mit einem Ventil.FIG. 2 shows the valve drive according to the invention in cooperation with a valve.

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Gemäß Figur 1 besteht das Gehäuse des Ventilaiitriebes aus zwei symmetrisch angeordneten Hälften 1 und 2, welche zwischen sich eine Rollmembran 3 einspannen. Die Rollmembran 3 wird durch Verschrauben der beiden Gehäusehälften 1 und 2 an ihrem äußeren Flanschrand zuverlässig abgedichtet. Im Zentrum wird die Membran durch einen oberen Federteller 4 und einen unteren Federteller 5, die ebenfalls symmetrisch zueinander ausgebildet sind, auf einem Absatz 24 auf einer Antriebsstange 6 über eine Unterlegscheibe 7 und zwei flache Muttern 8 verspannt. Ein Anschlagende 27 der Antriebsstange 6 kann in Bezug auf diese verstellbar sein und dient als Anschlag,der bei einer Bewegung der Membran nach oben an der oberen Gehäusehälfte 1 zur Anlage gelangt. Konzentrisch zur Antriebsstange 6 angeordnete Federn 26a stützen sich einerseits an dem Federteller 4 und andererseits an der oberen Gehäusehälfte 1 ab. Über einen Gewindeanschluß 15a und ein in diesen eingeschraubtes Rückschlagventil 21 kann^x§ie durch die Membran 3 und die obere Gehäusehälfte 1 abgeschlossene Kammer 28a ein kompressiblas Gas eingefüllt werden. Als ein solches Gas eignet sich z.B. Stickstoff. In diesem .Fall wird in die durch die Membran 3 und die untere Gehäusehälfte 2 abgeschlossene untere Gehäusekammer 28b über einen Gewindeanschluß 15b der Steuerdruck zugeführt. Der Steuerdruck arbeitet somit sowohl gegen die Federn 26a als auch gegen das komprimierte Gas in der oberen Kammer 28a. Beim Ausfall der Steuerluft bringen die Federn 26a zusammen mit dem in der oberen Kammer 28a unter Druck stehenden Medium den Ventilantrieb in die Geschlossen-Stellung. Die Membran ist hierbei so auszubilden, daß eine zuverlässige Abdichtung an der Antriebsstange erreicht wird, so daß ein übertritt des Steuermediums von der einen auf die andere Seite der Membran mit Sicherheit vermieden wird. Zwei von unten in die untere Gehäusehälfte 2 hineinragende Gehäusestangen-9 bilden mit ihren vorderen Stirnflächen 29 einen Anschlag für den Federteller 5 bei der Bewegung der Membran nach -unten. Auch diese Anschläge 29 sind vorzugsweise einstellbar auszuführen. Die Antriebsstange 6 und eine Ventilstange 10 werden durch ein Klemmstück 11 verbunden. Ein an dem Klemmstück 11 angebrachter HubzeigerAccording to FIG. 1, the housing of the valve drive consists of two symmetrically arranged halves 1 and 2, which clamp a rolling diaphragm 3 between them. The rolling diaphragm 3 is reliably sealed by screwing the two housing halves 1 and 2 on its outer flange edge. In the center, the membrane is braced by an upper spring plate 4 and a lower spring plate 5, which are also symmetrical to one another, on a shoulder 24 on a drive rod 6 via a washer 7 and two flat nuts 8. A stop end 27 of the drive rod 6 can be adjustable in relation to this and serves as a stop which comes to rest on the upper housing half 1 when the membrane moves upwards. Springs 26a arranged concentrically to the drive rod 6 are supported on the one hand on the spring plate 4 and on the other hand on the upper housing half 1. Via a threaded connection 15a and, in this screwed check valve 21 ^x §ie through the membrane 3 and the upper half casing 1 enclosed chamber 28a kompressiblas gas are introduced. Nitrogen, for example, is suitable as such a gas. In this case, the control pressure is fed into the lower housing chamber 28b, which is closed off by the membrane 3 and the lower housing half 2, via a threaded connection 15b. The control pressure thus works both against the springs 26a and against the compressed gas in the upper chamber 28a. If the control air fails, the springs 26a, together with the medium under pressure in the upper chamber 28a, bring the valve drive into the closed position. The membrane is to be designed in such a way that a reliable seal is achieved on the drive rod, so that the control medium is reliably prevented from passing from one side of the membrane to the other. Two housing rods 9 protruding from below into the lower housing half 2 form with their front end faces 29 a stop for the spring plate 5 when the membrane moves downwards. These stops 29 are also preferably designed to be adjustable. The drive rod 6 and a valve rod 10 are connected by a clamping piece 11. A stroke pointer attached to the clamping piece 11

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gestattet in Verbindung mit einer Skala 13 an der Gehäusestange den Hub des Antriebes abzulesen. Die Verbindung des Ventilantriebes mit dem Gehäuse eines Ventiles 31 erfolgt gemäß Figur 2 über eine Traverse 30 und die beiden Gehäusestangen 9, die durch Muttern 14 gehalten werden» In der unteren Gehäusehälfte 2 ist ein Dichtungsträger 16 zur dichtenden Führung der Antriebsstange vorgesehen. Der Dichtungsträger 16 wird stangenseitig über einen O-Ring 17 und gegenüber dem Gehäuse durch einen weiteren O-Ring 18 abgedichtet. Ein Abstreifring 19 verhindert, daß Schmutz den O-Ring 17 beschädigen kann. Der Dichtungsträger 16 wird- im Gehäuse 2 durch einen Sicherungsring 20 gehalten.In conjunction with a scale 13 on the housing rod, it allows the stroke of the actuator to be read off. The connection of the valve drive to the housing of a valve 31 takes place according to FIG. 2 via a cross member 30 and the two housing rods 9, which are held by nuts 14. In the lower housing half 2, a seal carrier 16 is provided for the sealing guidance of the drive rod. The seal carrier 16 is sealed on the rod side by an O-ring 17 and with respect to the housing by a further O-ring 18. A wiper ring 19 prevents dirt from damaging the O-ring 17. The seal carrier 16 is held in the housing 2 by a locking ring 20.

Soweit der Ventilantrieb bisher beschrieben wurde, ist er für den reversen Betrieb eines Ventils vorgesehen, d.h., die Steuerluft in der unteren Kammer 28b dient der Öffnung des Ventils gegen die Federn 26a und das in der oberen Kammer 28a enthaltene Gaspolster. Beim Ausfall der Steuerluft wird das Ventil durch die Feder 26a und das in der oberen Kammer 28a enthaltene unter Druck stehende Gas geschlossen. Die auf diese Weise realisierte Schließkraft des Antriebes ist groß genug, um der durch das strömende Medium in dem Ventil auf den Ventilkegel ausgeübten Öffnungskraft entgegenzuwirken. Bei einer direkten Betriebsweise des Ventilantriebes werden Federn 26b zwischen dem unteren Federteller 5 und der unteren Gehäusehälfte 2 angeordnet, und die Steuerluft wird über den Gewindeanschluß 15a in der oberen Gehäusehälfte 1 zugeführt. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit, die untere Kammer 28b zusätzlich mit einem unter Druck stehenden Gas zu füllen.As far as the valve drive has been described so far, it is for the reverse operation of a valve is provided, i.e. the control air in the lower chamber 28b is used to open the valve against the Springs 26a and the gas cushion contained in the upper chamber 28a. If the control air fails, the valve is opened by the spring 26a and the pressurized gas contained in the upper chamber 28a is closed. The closing force of the realized in this way The drive is large enough to counteract the opening force exerted on the valve cone by the flowing medium in the valve. In a direct mode of operation of the valve drive springs 26b between the lower spring plate 5 and the lower Housing half 2 arranged, and the control air is via the threaded connection 15a in the upper housing half 1 is supplied. In this case there is no need for the lower chamber 28b in addition to be filled with a pressurized gas.

Da eine absolute Dichtheit in der oberen Kammerhälfte meistens mit einem höheren Eertigungsaufwand verbunden ist, kann es zweckmäßig sein, das Rückschlagventil 21 ständig mit einer Hilfsenergiezuleitung zu verbinden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Ein Einstell- bzw. Druckminderventil 22 gestattet hierbei eine RegulierungSince an absolute tightness in the upper half of the chamber mostly with is associated with a higher manufacturing effort, it can be expedient to constantly provide the check valve 21 with an auxiliary power supply to be connected, as shown in FIG. A setting or pressure reducing valve 22 allows regulation

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des oberen Kammerdruckes. Die Luftleistang dieses Ventils ist so bemessen, daß mit Sicherheit nur die auftretenden Leckagen in der oberen Kammer ersetzt werden. In Verbindung mit einem Stellungsregler 23 ist somit eine genau proportionale Regelung des Ventilhubes möglich.of the upper chamber pressure. The air capacity of this valve is dimensioned so that only the leaks that occur in the upper chamber are replaced with certainty. In connection with a position controller 23, a precisely proportional control of the valve lift is possible.

Aus dem vorstehend beschriebenen Aufbau des erfindungsgemäßen Ventilantriebes ergibt sich folgende Wirkungsweise: Wenn man davon ausgeht, daß in der Geschlossen-Stellung des Ventils, d.h., bei maximalem oberen Kammervolumen,ein eingesperrter Druckvon 1,0 bar herrscht, so muß dieser Druck beim Hochfahren der Antriebsstange durch die stattfindende Verdichtung zunehmen. Da die Antriebsbewegungen in der Praxis sehr langsam erfolgep_vkann man von isothermischen Verhältnissen ausgehen, d.h., das Produkt aus Druck und Volumen bleibt konstant. Um diese Verdichtung in der oberen Gehäusehälfte nicht zu groß werden zu lassen, muß ein gewisser Totraum übrigbleiben. Als ungefährer Richtwert kann ein " Verdichtungsverhältnis von ca. 1,5 bis 2:1 angenommen werden. Das bedeutet im ungünstigsten Fall, daß der Druck in der- oberen Membrankammerhälfte bis auf 2 bar steigt. Auf der unteren Membranseite ist darum zum Durchfahren des vollen Hubes ein Druck notwendig, der mindestens so groß ist wie die Summe aus dem komprimierten Druck auf der oberen SeiteP^^uäer Differenz aus dem Federbereich, z.B. 1,0 bar - 0,2 bar =0,8 bar^pluäer auftretenden Reibung . Zusammengerechnet ergibt dies einen Druck von ca. 3 bar. Für die gängigsten Stellungsregler beträgt der maximale Zuluftdruck 3,5 bis 4,0 bar, der Im Interesse einer hohen Luftleistung und einer guten Ansprechempfindlichkeit auch ausgenutzt wird. Das 'bedeutet, daß der erfindungsgemäße Antrieb unter ganz normalen Verhältnissen betrieben werden ka-nn, wobei beim Ausfall der Hilfsenergie Schließkräfte zu erreichen sind, wie sie bisher nit Antrieben üblicher Größe nicht realisiert werden konnten.The structure of the valve drive according to the invention described above results in the following mode of operation: If it is assumed that in the closed position of the valve, that is, with the maximum upper chamber volume, there is a locked pressure of 1.0 bar, then this pressure must be reached when the Increase drive rod due to the compression taking place. Since the drive movements in practice erfolgep very slowly _v can be of isothermal conditions out, ie, the product of pressure and volume remains constant. In order not to let this compression in the upper half of the housing become too great, a certain dead space must remain. A "compression ratio of approx. 1.5 to 2: 1" can be assumed as a rough guide. In the worst case this means that the pressure in the upper half of the diaphragm chamber rises to 2 bar a pressure stroke necessary is at least as large as the sum of the compressed print on the upper SeiteP ^ ^u OCE difference of the spring range, for example 1,0 bar -. 0.2 bar = 0.8 bar ^plu OCE friction occurring Added together, This results in a pressure of about 3 bar. For the most common positioners, the maximum supply air pressure is 3.5 to 4.0 bar, which is also used in the interest of high air performance and good responsiveness Quite normal conditions can be operated, whereby in the event of a failure of the auxiliary power, closing forces can be achieved that could not previously be achieved with drives of the usual size.

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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der pneumatische Antrieb gemäß der Erfindung gegenüber bisher bekannten pneumatischen Antrieben einige wesentliche Vorteile aufweist. So wird unter anderem nur ein Federtyp benötigt und die Anzahl der zu verwendenden Federn bleibt stets gleich. Gegenüber herkömmlichen Antrieben mit gleicher Schließkraft ergibt sich eine wesentliche Gewichtsersparnis. Für den gleichen Anwendungsfall kommt man somit gleichzeitig mit einem, kleineren und billigeren Antrieb aus. Der erfindungsgemäße Antrieb gestattet zudem eine beliebige Einstellung auf einen bestimmten Druck innerhalb gewisser Grenzen.In summary, it can be stated that the pneumatic drive according to the invention compared to previously known pneumatic Drives has some significant advantages. Among other things, only one type of spring is required and the number of to The springs used always remain the same. Compared to conventional drives with the same closing force, there is an essential one Weight savings. So you come for the same application at the same time with a smaller and cheaper drive. The drive according to the invention also allows any setting to a certain pressure within certain limits.

Etwaige nachteilige Eigenschaften des erfindungsgemäßen Ventilantriebes _#wie beispielsweise die Bereichsverschiebung für das Steuersignal und die Nichtlinearität zwischen Steuersignal und Antriebshub sind im Stand der Technik _aucwgegeben bzw. fallen nicht ins Gewicht. Die Bereichsverschiebung ergibt sich beispielsweise auch beim Einsetzen stärkerer Federn. Liegt der Endpunkt des Steuersignals, der zum Durchfahren des Hubes notwendig ist, über l,3bar, so muß in jedem Falle ein Stellungsregler mit höherem Zuluftdruck verwendet werden, da das Reglerausgangssignal nicht höher als ca. 1,3 bar liegt. Unter der Voraussetzung, daß ein Stellungsregler verwendet werden muß, spielt auch die Nichtlinearität keine Rolle mehr, da bei Verwendung eines Stellungsreglers die Abhängigkeit des Hubes vom Steuersignal alleine von der Charakteristik des Stellungsreglers bestimmt wird.Any negative properties of the valve actuator _# invention such as the range shift for the control signal and the non-linearity between the control signal and drive stroke are _AUC in the art wgegeben or not significant. The range shift also results, for example, when using stronger springs. If the end point of the control signal, which is necessary to travel through the stroke, is above 1.3 bar, a positioner with a higher supply pressure must always be used, as the controller output signal is not higher than approx. 1.3 bar. Provided that a positioner has to be used, the non-linearity no longer plays a role either, since when a positioner is used, the dependence of the stroke on the control signal is determined solely by the characteristics of the positioner.

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Claims

/ 1 ·) Pneumatic drive, especially valve drive, with a Housing divided into two chambers by a membrane, wherein the membrane extends on one side over in one

Arranged chamber springs supported against the housing and on the other side of one introduced into the other chamber Control pressure is applied, thereby. characterized in that the chamber containing the springs (26a) (1) is filled with a gas under a defined pressure.

2. Pneumatic drive according to claim 1, characterized in that the defined under the gas Pressure containing chamber (1) is hermetically sealed and filled with nitrogen.

3. Pneumatic drive according to claim 1, characterized in that the chamber (1) from the supply air via a pressure reducing valve (22) and a check valve (21) is fed.

4. Pneumatic drive according to claim 1, characterized through stops (27,29) to limit the diaphragm stroke.

5. Pneumatic drive according to claims 1 and 4, characterized characterized in that the drive rod ^ 6) with its front end (27) a first with the upper housing chamber (].) cooperating, delimiting the path of the membrane (3) upwards Stop and two from below into the lower housing

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chamber (2) protruding housing rods (9) with their end faces (29) form a second stop that delimits the path of the membrane (3) downwards.

6. Pneumatic drive according to claims 1 and 5, characterized in that the compression ratio - Given by the volume of the housing chamber (28a) in the lower end position of the membrane (3) divided by the volume of the housing chamber (28a) in the upper end position of the membrane (3) - does not exceed the value 2.

7. Pneumatic drive according to claim 6, characterized by a pressure of approx. 1 bar of the filled medium with the largest volume of the housing chamber (2 8a).

8. Pneumatic actuator according to claim 6, characterized in t that the membrane is clamped (3) between two symmetrical to each other arranged spring plates (4,5).

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