SE420639B

SE420639B - SIGNAL CONVERTER UNIT FOR CONVERTING AN ELECTRICAL CONTROL SIGNAL TO A PNEUMATIC SIGNAL WITH A PIEZOELECTRIC ELEMENT

Info

Publication number: SE420639B
Application number: SE7901841A
Authority: SE
Inventors: J Formanek; A L J Jacobsson
Original assignee: Saab Scania Ab
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1979-03-01
Publication date: 1981-10-19
Also published as: DK150278B; NL8020072A; GB2065331A; DE3034326C2; DK462080A; SE7901841L; WO1980001826A1; CH646230A5; DE3034326T1; ATA901680A; EP0024409A1; NO803279L

Description

7981841-2 2 kan kroppen fås att röra sig mot eller från öppningen så att därigenom fluidum- trycket i kammaren påverkas. Detta fluidumtryck avkännes. Genom en återkoppling åstadkommas en yttre kraft mot kroppen. Kraftens storlek är förknippad med stor- leken av trycket i kammaren och verkar i motsatt riktning relativt den av styr- signalen åstadkomma avböjningen hos kroppen. Kraftene storlek är beroende av storleken av trycket i kammaren och verkar i motsatt riktning relativt den av styrsignalcn åstadkomna avböjningen hos kroppen. Avsikten härmed är att begränsa avböjningen hos kroppen varvid den av styrsignalen åatadkomna nvböjningskraften balanserar mot fluidumtrycket. Anordningen arbetar således enligt kraftbulane- principen, dvs fluidumtrycket blir beroende av den piezoelektriska utbüjnings- kraften som funktion av den elektriska styrsignalen. Således kommer sådana fak- torer som den piezoelektriska kroppens temperaturberoende, olinearitet, hysteres och långtidsinstabilitet hos utböjningskraften som funktion av den elektriska styrsignalen samt variationer i matníngstrycket från fluidumtryckkällan att på- verka noggrannheten i omvandlingen från elektrisk styrsignal till fluidumtryck- värde. 7981841-2 2 the body can be made to move towards or from the opening so that thereby the fluid pressure in the chamber is affected. This fluid pressure is sensed. Through a feedback an external force is produced against the body. The magnitude of the force is associated with the magnitude of the pressure in the chamber and acts in the opposite direction relative to the deflection of the body caused by the control signal. The magnitude of the forces depends on the magnitude of the pressure in the chamber and acts in the opposite direction relative to the deflection of the body produced by the control signal. The purpose of this is to limit the deflection of the body, whereby the bending force obtained by the control signal balances against the fluid pressure. The device thus operates according to the force bulb principle, ie the fluid pressure becomes dependent on the piezoelectric deflection force as a function of the electrical control signal. Thus, factors such as the temperature dependence of the piezoelectric body, nonlinearity, hysteresis and long-term instability of the deflection force as a function of the electrical control signal and variations in the feed pressure from the fluid pressure source will affect the accuracy of the conversion from electrical control signal to fluid pressure value.

Särskilt inom processindustrin finns behov av anordningar som med hög noggrann- het förmår åstadkomma en omvandling-av ovannämnt slag men med hittills kända an- ordningar har ej tillräckligt hög noggrannhet uppnåtts. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en signalomvandlande en- het av det inledningsvis nämnda slaget, som förmår att med hög noggrannhet om- vandla en elektrisk reglersignal till en motsvarande pneumatisk signal, vilken enhet ej har ovannämnda nackdelar, och detta åstadkommas därigenom att den signal- omvandlande enheten utmärkas av de i bifogade patentkrav angivna särdragen.Particularly in the process industry, there is a need for devices which, with high accuracy, are able to achieve a transformation of the above-mentioned type, but with hitherto known devices sufficiently high accuracy has not been achieved. The object of the present invention is to provide a signal converting unit of the kind mentioned in the introduction, which is capable of converting with high accuracy an electrical control signal into a corresponding pneumatic signal, which unit does not have the above-mentioned disadvantages, and this is achieved by the signal the converting unit is characterized by the features specified in the appended claims.

Uppfinningen skall i det följande förklaras ytterligare med hänvisning till bi- fogade ritning, på vilken fig 1 schematiskt och delvis i blockschemaform visar en enhet enligt uppfinningen för omvandling av en elektrisk reglersignal till en motsvarande pneumatisk signal, en s k I/P-omvandlare, och fig 2 i blockschema- form visar ett alternativt utförande av en anordning enligt uppfinningen.The invention will be further explained in the following with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows diagrammatically and partly in block diagram form a unit according to the invention for converting an electrical control signal into a corresponding pneumatic signal, a so-called I / P converter, and Fig. 2 in block diagram form shows an alternative embodiment of a device according to the invention.

På ritningen är 1 en till en tryckluftskälla 2 ansluten pneumatisk ledning, som mynnar i en dysa 3. Mellan tryckkällan 2 och dysan 3 finns i ledningen 1 ett ut- rymme 1a, som tillföres tryckluft via en förstrypning 4. Medelst tryckkällan åstadkommas ett pneumatiskt tryck i ledningen 1. En utgângsledning eller tryck- utgång 5 är ansluten till utrymmet 1a. Intill dysan 3 är anbringad en för elek- trisk signalpåverkan känslig piegvoelektrisk kropp 6, vars från dysan vända ände är fast inspënd. Kroppens 6 mot dysan 3 vända sida är så utformad att det mellan 7901841-2 3 kroppen och dysan uppkommer en spalt genom vilken tryckluften kan strömma ut.In the drawing 1 is a pneumatic line connected to a source of compressed air 2, which opens into a nozzle 3. Between the source of pressure 2 and the nozzle 3 there is a space 1a in the line 1, which is supplied with compressed air via a pre-choke 4. A pneumatic pressure is produced by the source of pressure. in the line 1. An output line or pressure output 5 is connected to the space 1a. Adjacent to the nozzle 3 is mounted a piegvoelectric body 6 which is sensitive to electrical signal influences, the end of which facing away from the nozzle is fixedly clamped. The side of the body 6 facing the nozzle 3 is designed such that a gap arises between the body and the nozzle through which the compressed air can flow out.

Genom den elektriska signalpåverkan kan kroppen 6 fås att röra sig mot eller från dysan 3 i beroende av signalcns styrka och polaritet, varigenom spalten mellan kroppen och dysan minskar eller ökar. På detta sätt kan tryckluftens utströmning genom dysan 3 påverkas och därmed också trycket i ledningen 1 och på tryckutgången 5 styras. Detta tryck, som kan användas som styrtryck till en fluidumförstärkare eller ett cylinder-kolvaggregat, är på ritningen visat som en pneumatisk signal P. Om inga andra åtgärder vidtas skulle som inlednings- vis förklaras vid en sådan styrning av trycket noggrannheten påverkas i nega- tiv riktning av ett flertal faktorer.Due to the electrical signal influence, the body 6 can be made to move towards or from the nozzle 3 depending on the strength and polarity of the signal, whereby the gap between the body and the nozzle decreases or increases. In this way, the outflow of the compressed air through the nozzle 3 can be influenced and thus also the pressure in the line 1 and on the pressure outlet 5 can be controlled. This pressure, which can be used as a control pressure for a fluid amplifier or a cylinder-piston assembly, is shown in the drawing as a pneumatic signal P. If no other measures are taken, as initially explained in such a control of the pressure, the accuracy would be negatively affected. direction of a number of factors.

Enligt uppfinningen är, som framgår av fig 1, för avkänning av trycket i led- ningen en tryckgivare 7 ansluten till tryckutgången 5. Tryckgivaren 7 är in- rättad att alstra en elektrisk signal T, som svarar mot nämnda styrtryck.According to the invention, as shown in Fig. 1, for sensing the pressure in the line, a pressure sensor 7 is connected to the pressure outlet 5. The pressure sensor 7 is arranged to generate an electrical signal T, which corresponds to said control pressure.

Signalen T påföres ena signalingângen 8 av en jämförare 9, vars andra ingång 10 påföres den elektriska reglersignal, i det följande benämnd I, som önskas om- vandlad till en pneumatisk signal. Skillnadsbildaren 9 är inrättad att jämföra signalerna T och I och att alstra en mot skillnaden mellan nämnda signaler svarande skillnadssignal. Denna pâföres en integrator 11, vars utsígnal får verka på den piezoelektriska kroppen 6. Integratorn 11 är företrädesvis en integre- rande förstärkare och har en utsígnal som svarar mot tidsintegralen av den till integratorn inkommande skillnadssignalen. Detta innebär att även små skillnads- signaler med viss varaktighet åstadkommer utsignaler från integratorn 11 av samma storleksordning som större men mera kortvariga skillnadssignaler.The signal T is applied to one signal input 8 by a comparator 9, the second input 10 of which is applied to the electrical control signal, hereinafter referred to as I, which is desired to be converted into a pneumatic signal. The difference generator 9 is arranged to compare the signals T and I and to generate a difference signal corresponding to the difference between said signals. This is applied to an integrator 11, the output signal of which may act on the piezoelectric body 6. The integrator 11 is preferably an integrating amplifier and has an output signal which corresponds to the time integral of the difference signal received by the integrator. This means that even small difference signals of a certain duration produce output signals from the integrator 11 of the same order of magnitude as larger but more short-lived difference signals.

Den i fig 1 visade anordningen fungerar som en I/P-omvandlare och arbetar med en sluten reglerslínga på följande sätt: Beroende på storleken och polariteten hos skillnadssignalen kommer kroppen 6 som tidigare nämnts att röra sig från eller mot dysan 3 varvid spalten mellan krop- pen och dysan ökar eller minskar så att fluidumtrycket i ledningen 1 och därmed också Såväl den pneumatiska signalen P.som signalen T kommer att ändras. Man kan tydligen ge reglerslingan sådana egenskaper att tryckvärdet eller den pneumatiska signalen P mycket noggrant motsvarar signalen I. Den piezoelektriska kroppens 6 egenskaper eller variationer i matningstrycket från tryckkällan 2 påverkar ej omvandlarens noggrannhet.The device shown in Fig. 1 functions as an I / P converter and operates with a closed control loop as follows: Depending on the magnitude and polarity of the difference signal, the body 6 will, as previously mentioned, move from or towards the nozzle 3, the gap between the body the pen and the nozzle increase or decrease so that the fluid pressure in the line 1 and thus also both the pneumatic signal P. and the signal T will change. Apparently, the control loop can be given such properties that the pressure value or the pneumatic signal P corresponds very accurately to the signal I. The properties or variations of the piezoelectric body 6 in the supply pressure from the pressure source 2 do not affect the accuracy of the transducer.

Skillnadsbildaren 9 och integratorn 11 motsvarar till sin funktion en proportio- nell integrerande regulator, en s k P/I-regulator. I fig 2 är 12 en sådan P/I- regulator. Nämnda Figur visar ett alternativt utförande av en I/P-omvandlare 79a1a41-2 Ä enligt uppfinningen, där en fluídumförstärkare 13 är ansluten till tryvkut- gången 5. Förstärkaren 13 tryckmatas från tryckkällan 2 via en ledning 16 och har till uppgift att åstadkomma ett förstärkt tryckluftsflöde och/eller ett ökat tryckvärde i utgångsledningen 5 för sådana tillämpningar där trycklufts- flödet ej är tillräckligt. Tryckgivaren 7 är kopplad till förstärkarens ut- gång 15 hum även utgör I/P-omvandlarens utgång, dvs den mot signalen I svarande tryckluftsnivån tas som ett arbetstryck ut på utgången 15. Arbetstrycket kan exempelvis användas för lägesstyrning av ett på ritningen ej visat cylinder- kolvaggregat.The difference generator 9 and the integrator 11 correspond in their function to a proportional integrating controller, a so-called P / I controller. In Fig. 2, 12 is such a P / I controller. The Figure shows an alternative embodiment of an I / P converter 79a1a41-2 Ä according to the invention, where a fluid amplifier 13 is connected to the pressure outlet 5. The amplifier 13 is supplied with pressure from the pressure source 2 via a line 16 and has the task of providing an amplified compressed air flow and / or an increased pressure value in the outlet line 5 for such applications where the compressed air flow is not sufficient. The pressure sensor 7 is connected to the output 15 of the amplifier, which also constitutes the output of the I / P converter, ie the level of compressed air corresponding to the signal I is taken out as an operating pressure at the output 15. The working pressure can be used for position control of a cylinder not shown in the drawing. piston unit.

Claims

7901841-2 Patent claim A signal converting unit intended to be part of a pneumatic control system and used to convert an electrical control signal (I) received at the input of the unit into a pneumatic signal (P) emitted at the output of the unit and whose value shall be proportional to the control signal value, comprising a tongue-shaped piezoelectric element (6) which is applied to a voltage which depends on the control signal (1) so that the element (6) has a lateral deflection which varies with the voltage, a pneumatic line (1) with a space (1a) which is supplied with compressed air via a throttle (4) and from which compressed air is diverted through a nozzle (3) located next to one side of the piezoelectric element (6), so that the air pressure in the space (1a) is regulated by the piezoelectric element (6) as a function of said voltage, and an output line (5) going from the space (1a) for transmitting to the control system the regulated air pressure as said pneumatic signal (P), characterized in that a pressure sensor (7) is connected to the output line (5) which is arranged to generate an electrical signal (T) corresponding to the regulated air pressure and which is connected to the input of the unit via a feedback, and that the input has a circuit ( 9, 11; 12) which receives both the electrical control signal (I) and the feedback electrical signal and which has means (9) for forming a difference signal by comparison between the two signals and means (11) for integrating the difference signal and subsequently generating from the integrated difference signal the voltage applied to the piezoelectric element (6), whereby the pneumatic signal (P) to the control system will closely follow the electrical control signal (I).