DE3117218C2

DE3117218C2 -

Info

Publication number: DE3117218C2
Application number: DE3117218A
Authority: DE
Inventors: James H. Brockton Mass. Us Ewing; William R. Hampstead N.H. Us Clark
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1989-06-08
Also published as: NL8102045A; CH654087A5; GB2076507A; JPS5718431A; GB2076507B; NL187927C; JPS6046255B2; US4327894A; DE3117218A1; NL187927B

Description

Die Erfindung betrifft eine lineargesteuerte Durchflußregelvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der vorgesehene offene Bereich eines Fluiddurchlasses, der durch ein Drosselklappenventil, ein Kugelventil oder auf andere Weise beeinflußt wird, bestimmt den Durchsatz des Durchflusses unter Standardbedingungen, und es ist bekannt, daß die Beziehung zwischen den Winkelverstellungen des Ventilschaftes und dem darauf bezogenen Fluiddurchfluß bei solchen Ventilen nicht linear ist.

In manchen Fällen kann die Formgebung der Ventilteile und/oder der Ventilsitze eine Öffnungsveränderung des Querschnitts annähernd linear zum Drehwinkel der Ventilteile erreichen, und diese lineare Beziehung ermöglicht es der zugehörigen elektrischen Steuerung, einen Servomotor zur Betätigung des Ventilteils mit im wesentlichen konstanter erwünschter Übergangsfunktion und Auflösung anzutreiben.

Wenn solche Maßnahmen nicht ergriffen werden, kann sich das ausgelegte Durchflußsteuersystem als unstabil erweisen. Beispielsweise ergibt sich eine bestimmte Winkelverstellung bei dem sich gerade öffnenden Ventil eine bedeutend größere Auswirkung auf den Durchfluß als die gleichgroße Winkelverstellung bei fast vollständig geöffnetem Ventil. Wenn die elektrische Steuerung selbst solche Unterschiede ausgleichen soll, muß sie mit einer Verstärkung mit angemessener Veränderung ausgelegt werden; alternativ kann mit einem Bauelement mit unterschiedlichem Untersetzungsverhältnis eine mechanische Annäherung eines solchen veränderbaren Verstärkungsfaktors versucht werden.

Aus der GB-PS 3 30 873 ist ein gattungsgemäßes motorgesteuertes Drosselventil bekannt, bei dem zwischen dem Antriebsmotor und der zu steuernden Drosselklappe des Ventils ein Getriebe vorgesehen ist, das die Drehbewegung des Motors mittels einer in etwa schneckenförmig geformten Nockenscheibe in eine Schiebebewegung übersetzt. Dabei wird die Schiebebewegung über eine Hebelanordnung auf einen Kurbelhebel übertragen, der mit der die Drosselplatte tragenden Welle verbunden ist, um die Schiebebewegung wiederum in eine Winkelstellung der Drosselklappe erzeugende Drehbewegung umzusetzen.

Aus der US-PS 27 22 396 ist ferner ein Drehantrieb mit einem für ein Gleitschieberventil angepaßten Ausgang bekannt, der ein Getriebe aufweist, das die Drehbewegung eines Antriebsmotors über eine Gelenkhebelanordnung in eine Schiebebewegung umsetzt, die wiederum von einem mit einem den Ausgang bildenden Ritzel verbundenen Kurbelhebel in eine Drehbewegung des Ritzels übersetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lineargesteuerte Durchflußregelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion und -auflösung mittels des Antriebs eines nicht-linearen Ventils über ein einfach aufgebautes und kostengünstig zu fertigendes Getriebe bewirkt wird, das die Nichtlinearität des Ventils ausgleicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Hebel, der an seinem freien Ende eine in einen Nockenschlitz eingreifende Nockenrolle trägt, wird es auf einfache Weise ermöglicht, die Drehbewegung der Antriebseinrichtung in eine geradlinige Schiebebewegung umzusetzen, die dann ihrerseits in Winkelstellungen der Ventileinrichtung übertragen werden kann. Dabei weist die Schiebebewegung eine (1-cos R)-Abhängigkeit von den Winkelstellungen der Ausgangswelle der Antriebseinrichtungen zwischen 0° und 90° auf.

Diese (1-cos R)-Abhängigkeit entspricht der Abhängigkeit der Querschnittsöffnung bzw. des entsprechenden Durchflusses durch ein Klappenventil von der Winkelstellung R des Ventilteils, die sich ebenfalls wie eine (1-cos R)-Funktion verhält. Somit ergibt sich eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Winkelstellung der Ausgangswelle der Antriebseinrichtung und der Querschnittsöffnung bzw. des Durchflusses des Ventils.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung zusammenwirkender Teile einer Durchflußregelvorrichtung für ein Klappenventil,

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung einer Durchflußregelvorrichtung, bei der das Ventil eine kompakte Anordnung eines Cosinus-Funktionsgetriebes und eines Antriebs-Schrittmotors trägt, und

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

Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer linearen Ventilsteuerung für Fluide mit einem Drehklappenventil mit einer Drehklappe 4, bei dem eine an einem Schiebeteil 6 angebrachte, mit einem Ritzel 7 in Kämmeingriff stehende Zahnstange 5 vorgesehen ist. Das Ritzel 7 dreht über eine Verbindung 7 a gleichlaufend den Ventilschaft 4 a und damit das Klappenteil 4. In bekannter Weise ist eine elektrische Steuerung 8 vorgesehen, die in Abhängigkeit von einem erfaßten Zustand, beispielsweise dem Druck, dem Durchfluß oder der Temperatur arbeitet, wobei diese Werte mit dem Durchfluß durch die mit einem Ventil versehene Leitung 9 verbunden sind. Die Steuerung 8 gibt zugehörige elektrische Steuersignale an einen Servomotor 10 über eine Eingabeverbindung 11 ab, und es ist üblich, die Motorausgangswelle 12 direkt mit der Ventilwelle 4 a zu verbinden, so daß die Drehstellung des Motors 10 und die Drehstellung der Ventilklappe 4 direkt miteinander verbunden sind, um so den Fluiddurchfluß 13 zu ändern. Der Durchsatz T eines Klappenventils, der im wesentlichen direkt proportional dem freigegebenen Querschnitt entspricht, hängt jedoch nicht linear von der Winkelstellung R₁ des Klappenteils 4 ab und, wenn auf diese Weise eine direkte Verbindung der Welle 4 a mit der Motorausgangswelle 12 hergestellt ist, wirkt sich diese Nichtlinearität auf die angestrebte Steuerung aus, falls nicht die Verstärkung und die Vorgabe der Steuerung für jeden Betriebszustand richtig eingestellt wird. Wenn beispielsweise die System- "Auflösung" betrachtet wird, ergibt sich durch die genannte Nichtlinearität eine große Durchflußänderung pro Schrittwinkel der Ventilklappenstellung bei fast geschlossener Ventilklappe, während sich nur eine relativ kleine Änderung des Durchflusses pro Schrittwinkel bei fast voll geöffneter Klappe ergibt.

In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1, daß die projizierte Öffnung T eine (1-cos R₁)- Funktion der Winkelstellung des Klappenteils 4 ist, gemäß der folgenden Entwicklung:

Es sei angenommen, daß B+T=1 bzw. 1-T=B, so ergibt sich B=cos R₁ und 1-T=cos R₁ und T=1-cos R₁.

Das gemäß Fig. 1 zwischen dem Motor 10 und dem Ventilschaft 4 a eingesetzte Getriebe beachtet diese Beziehung und gleicht auf mechanische Weise dieses Nichtlinearitätsproblem aus. Zunächst ist mit dem Motor 10 ein mechanisches Gestänge verbunden, das eine ausgleichende Cosinus- Funktion einführt. Zu diesem Zweck ist ein Hebel 14 vorgesehen, der im Uhrzeigersinn mindestens eine Vierteldrehung von der dargestellten Lage aus, von der Motorausgangswelle 12 angetrieben, ausführen kann, und dieser läßt sein äußeres Ende einen effektiven geradlinigen Abstand, der seinem Hebelarm-Radius entspricht, in nicht-linearer Weise durchlaufen. An diesem äußeren Ende des Hebels 14 ist eine Nockenrolle 14 a angebracht, die in einem querliegenden Nockenschlitz 6 a in dem Schiebeteil 6 gefangen ist, so daß eine Winkelbewegung des Hebels 14 in eine erwünschte, nicht- lineare gerade Bewegung des Schiebeteils 6 übersetzt wird. Das Schiebeteil 6 wird an einem Führungsstab 15 gleitend gelagert, so daß es die durch den Pfeil 16 bezeichneten Bewegungen entsprechend der Drehung der Motorausgangswelle 12 ausführen kann, und diese Bewegungen werden wiederum in eine Drehung des Ritzels 7 und des damit verbundenen Ventilschaftes 4 a durch eine an einer Kante des Schiebeteils 6 angebrachte Zahnstange 5 übertragen. Die gestrichelt eingezeichnete Stellung 17 des Schlitzes 6 a bei einer Drehung der Motorausgangswelle 12 um 90° zeigt zusammen mit dem gestrichelt eingezeichneten Umriß 18 des Schiebeteils 6 die Lage an, die bei größtem Regelausschlag des Motors 10 eingenommen wird. Eine Feder 19 hält die Verzahnungs- und Nockenelemente miteinander in Eingriff und verhindert ein Spiel im Getriebe. Die Winkelverstellung R₁ des Ritzels 7, die gleich der Winkelverstellung R₁ des Ventilklappenteils 4 ist, steht nun in einer Cosinus-Funktionsbezeichnung zur Winkelverstellung R₂ der Abgabewelle 12 des Servomotors 10 in folgender Weise:

Es sei angenommen, daß A+C=1, dann ergibt sich A=1-C= cos R₂′ und damit 1-cos R₂=C=R₁k.

Wird das Getriebe so aufgebaut, daß k=1/90°, so folgt (1-cos R₂) · 90°=R₁.

Wenn dieser Wert für R₁ in die vorher entwickelte "Durchsatz"- Gleichung T=1-cos R₁ eingesetzt wird, so ergibt sich

T = 1-cos [(1-cos R₂) · 90°] ,

und die Änderungsrate des Durchsatzes T, bezogen auf den Motorwellen-Drehwinkel R₂ wird:

Die entsprechenden Werte sind in der folgenden Wertetabelle festgehalten in Abhängigkeit von dem Motorwellen-Drehwinkel R₂, wobei die Werte in der Tabelle auf einen Durchfluß von 100%=1 normiert sind:

Die in der letzten Spalte stehenden Werte

sind in Fig. 3 über dem Motorwellen-Drehwinkel R₂ aufgetragen, und man sieht, daß sich die erwünschte, im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion für die aufgetragene Kurve 20 im größten und kritischsten Teil des Betriebsbereichs ergibt.

In Fig. 2 ist eine praktische Auslegung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dargestellt. Der Schrittmotor 10′ zur Ausführung des linearisierten Antriebs ist mit Reduzierungsteilen zusammengebaut und erhält seine Ansteuersignale von einer elektrischen Steuerung 8′ über eine Impulsleitung 11′, so daß er genau bestimmte Winkelschritte zurücklegt. Unmittelbar unter dem Schrittmotor 10′ befindet sich der Hebel 14′ mit seinem Eingriff im Schiebeteil 6′, jedoch ist hier die Zahnstange 5′ unterhalb des Schiebeteils, etwas von seinem Rand versetzt, angebracht und steht dort in Kämmeingriff mit dem Ritzel 7′, das mit dem Ventilschaft 4 a′ für das Ventilklappenteil 4′ fluchtet.

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

Claims

1. Linear gesteuerte Durchflußregelvorrichtung

a) mit einem in einem Durchflußweg winkelabhängig einstellbaren schwenkbaren Verschlußstück, das den Durchfluß als Kosinusfunktion des seine Schwenklage bestimmenden Winkels steuert,
b) mit einer Drehbewegungen erzeugenden Antriebseinrichtung zur Winkeleinstellung des Verschlußstücks und
c) mit einem die Drehbewegungen in Abhängigkeit von einer Kosinusfunktion in Winkelstellungen übersetzenden Getriebe,
welches ein Gestänge mit einem die durch die Antriebseinrichtung mitgeteilten Drehbewegungen ausführenden, in einem Radialabstand von der Achse der Drehbewegungen angebrachten Hebel umfaßt, dessen Verschwenken eine im wesentlichen kosinusförmig verlaufende Vorschub- und Rückholbewegung ergibt und welches eine Einrichtung zum Wandeln der Vorschub- und Rückholbewegung des Hebels in eine Winkelstellung des Verschlußstücks enthält, und zwar in Form eines mit dem Hebel verbundenen Schiebeteils zur Übertragung der relativen Winkelbewegung,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) das Schiebeteil (6) einen Nockenschlitz (6 a) enthält, der sich im wesentlichen parallel zu der Ebene der vom Hebel (14) überstrichenen Drehbewegungsbahn erstreckt,
e) am Hebel (14) eine in den Nockenschlitz (6 a) eingreifende Nockenrolle (14 a) befestigt ist, und
f) das Schiebeteil (6) in Richtung (16) der Vorschub- und Rückholbewegung in Übereinstimmung mit der kosinusbezogenen Funktion der Drehbewegungen gleitbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Schiebeteil (6) eine zusammen mit diesem bewegbare Zahnstange (5) vorgesehen ist, die mit einem das Verschlußstück drehenden Ritzel (7) kämmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenschlitz (6 a) im wesentlichen gerade ist und in der einen Endlage des eine Vierteldrehung ausführenden, die Nockenrolle (14 a) tragenden Hebels (14) senkrecht zu diesem und in der anderen Endlage parallel zu diesem liegt.