DE1151964B

DE1151964B - Equipment on pressure transducers and pressure relay to correct the reversal error

Info

Publication number: DE1151964B
Application number: DEE16266A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Wintergerst; Dr-Ing Peter Nenning
Original assignee: JC Eckardt AG
Current assignee: JC Eckardt AG
Priority date: 1958-08-08
Filing date: 1958-08-08
Publication date: 1963-07-25

Description

Einrichtung an Druckgebern und Druckrelais zur Behebung des Umsteuerfehlers Die Erfindung bezieht sich auf pneumatische oder hydraulische Druckgeber und -relais, wie sie in selbsttätigen Regelanlagen verwendet werden, die ein Druckmittel als Hilfskraft benutzen. Es sind Anordnungen dieser Art bekannt, bei denen das Einlaß-und das Auslaßventil durch eine gemeinsame Schließplatte betätigt werden und der Drehpunkt der Schließplatte außerhalb der beiden Achsen der Ventile liegt. Die Abstände zwischen Einlaß- und Auslaßventil und dem Drehpunkt der Schließplatte sind hierbei verschieden. Die. Ventile arbeiten bei derartigen Druckgebern und -relais wechselweise, d. h. daß entweder das Einlaß- oder das Auslaßventil geöffnet ist oder daß beide geschlossen sind, und derartige Anordnungen werden deshalb häufig Alternativverstärker genannt. Sie besitzen den Nachteil, daß sie im allgemeinen mit einem sogenannten Umsteuerfehler behaftet sind. Dieser Umsteuerfehler äußert sich darin, daß sich bei konstantem Eingangsdruck der Ausgangsdruck sprunghaft ändert, sobald vom Zustand der Abgabe des Druckmittels an den angeschlossenen Verbraucher ein Übergang in den Zustand der Aufnahme des Druckmittels von dem Verbraucher erfolgt. So ist z. B. ein Umsteuerfehler zu erwarten, wenn ein pneumatisch betätigtes Stellglied durch Verstellen eines Druckminderers gesteuert werden soll und bei Einstellung eines hohen Druckes zunächst Druckluft von dem Druckminderer nach dem Stellglied strömt und dann bei Einstellung eines geringeren Druckes das Stellglied wieder Luft an den Druckminderer abgibt.Device on pressure transducers and pressure relays to correct the reversal error The invention relates to pneumatic or hydraulic pressure transducers and relays, as they are used in automatic control systems that use a pressure medium as Use an assistant. There are arrangements of this type are known in which the inlet and the outlet valve are operated by a common closing plate and the pivot point the closing plate lies outside the two axes of the valves. The distances between The inlet and outlet valve and the pivot point of the closing plate are different here. The. Valves work alternately in such pressure transducers and relays, i. H. that either the inlet or the outlet valve is open or that both are closed are, and such arrangements are therefore often called alternative amplifiers. They have the disadvantage that they are generally associated with a so-called reversal error are afflicted. This reversal error manifests itself in the fact that with constant Inlet pressure the outlet pressure changes by leaps and bounds as soon as the state of delivery of the pressure medium to the connected consumer a transition to the state the consumption of the pressure medium takes place. So is z. B. a reversal error to be expected when a pneumatically operated actuator is adjusted by adjusting a pressure reducer should be controlled and when a high pressure is set, compressed air first flows from the pressure reducer to the actuator and then when one is set lower pressure, the actuator releases air to the pressure reducer again.

Bei Alternativverstärkern ist der Umsteuerfehler dadurch bedingt, daß beim öffnen eines Ventils zunächst ein gewisser Anlagedruck, mit dem der Ventilkörper am Ventilsitz aufliegt, überwunden werden muß, so daß z. B. bei der Umkehr der Wirkungsweise eines Ventils eine Verzögerung auftritt. Der Anlagedruck kann, soweit er durch Federkräfte bedingt ist, zwar klein gehalten werden, er ist aber ebenfalls abhängig von der Druckdifferenz zwischen Zuluft und Atmosphäre gegenüber dem Steuerluftdruck und, da der Steuerluftdruck variabel ist, eine vom Steuerluftdruck abhängige Größe. Dieser bisher als unvermeidbar hingenommene Umsteuerfehler wurde bei den bekannten Alternativverstärkern in seiner Bedeutung herabgesetzt, indem man entweder die Ventilsteuerkräfte sehr groß gegenüber den Druckkräften auf die Ventilsitzflächen machte oder indem man durch die Verwendung eines zusätzlichen Verbrauchers in dem Steuerluftdrucksystem die Unstetigkeit in der Durchströmcharakteristik aus dem Nullpunkt herausversetzte. Mit der letzteren Maßnahme nimmt man allerdings einen ständigen Luftverbrauch in Kauf und nähert sich damit den Verhältnissen eines sogenannten Drosselverstärkers, der keinen Umsteuerfehler, dafür aber einen hohen Luftverbrauch aufweist.In the case of alternative amplifiers, the reversal error is caused by that when opening a valve initially a certain system pressure with which the valve body rests on the valve seat, must be overcome so that, for. B. when reversing the mode of action a valve delay occurs. The system pressure can, insofar as it is due to spring forces is conditional, can be kept small, but it is also dependent on the Pressure difference between supply air and atmosphere compared to the control air pressure and, since the control air pressure is variable, a variable that depends on the control air pressure. This Reversal errors previously accepted as unavoidable were found in the known alternative amplifiers diminished in importance by either the valve control forces very much great compared to the compressive forces on the valve seat surfaces or made by by using an additional consumer in the control air pressure system offset the discontinuity in the flow characteristics from the zero point. With the latter measure, however, one assumes a constant consumption of air Purchase and thus approaches the proportions of a so-called throttle amplifier, which does not have a reversing error, but has a high air consumption.

Erfindungsgemäß wird der Umsteuerfehler dadurch behoben, daß an der Schließplatte, den beiden Ventilen gegenüberliegend, eine Fläche vorgesehen ist, welche dem Druck in der Umgebung des Druckgebers bzw. -relais ausgesetzt ist. Die Größe dieser Fläche ist der Erfindung zufolge so zu bemessen, daß an der Schließplatte allein der Überdruck des zugeführten Druckmittels gegenüber dem in der Umgebung herrschenden Druck und die Kraft einer Schließfeder wirksam werden.According to the reversing error is eliminated in that at the Closing plate, opposite the two valves, a surface is provided, which is exposed to the pressure in the vicinity of the pressure transmitter or relay. the Size of this area is to be dimensioned according to the invention so that on the closing plate only the overpressure of the supplied pressure medium compared to that in the environment prevailing pressure and the force of a closing spring take effect.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke schematisch dargestellt.The idea of the invention is shown schematically in the drawing.

Abb. 1 stellt einen Druckgeber bekannter Bauart dar, wie er z. B. zur Speisung oder Steuerung von Regelanlagen benutzt wird, die mit einer pneumatischen Hilfskraft arbeiten; Abb. 2 zeigt das Verhalten des Ausgangsdruckes an einem Druckgeber nach Abb. 1 in Abhängigkeit von der Luftentnahme; in Abb. 3 ist ein Druckgeber wiedergegeben, bei dem erfindungsgemäß das Auftreten eines Umsteuerfehlers vermieden wird.Fig. 1 shows a known type of pressure transducer, as it is, for. B. is used to supply or control control systems with a pneumatic Work as an assistant; Fig. 2 shows the behavior of the outlet pressure on a pressure transducer according to Fig. 1 depending on the air extraction; in Fig. 3 a pressure transducer is shown, in which, according to the invention, the occurrence of a reversing error is avoided.

Der Druckgeber nach Abb. 1 besitzt eine Einlaßdüse 1, welche durch die Schließplatte 2 abgedeckt wird. Die Schließplatte 2 ist an dem Auflagestift 3 drehbar gelagert; sie wird durch die Zugfeder 4 mit dem Auflagestift 3 gegen den Auflagepunkt 5 am Gehäuse. 6 und gleichzeitig gegen die Einlaßdüse 1 gedrückt. In die Wandung des Gehäuses 6 ist neben der Einlaßdüse 1 eine Balgfeder 7 eingesetzt, welche an ihrem beweglichen Boden 8 mit einer Auslaßdüse 9 versehen ist. Ober der Auslaßdüse 9 ist an der Schließplatte 2 der Ventilkörper 10 angebracht.The pressure transducer according to FIG. 1 has an inlet nozzle 1 which is covered by the closing plate 2. The closing plate 2 is rotatably mounted on the support pin 3; it is by the tension spring 4 with the support pin 3 against the support point 5 on the housing. 6 and pressed against the inlet nozzle 1 at the same time. In the wall of the housing 6, in addition to the inlet nozzle 1, a bellows spring 7 is inserted, which is provided with an outlet nozzle 9 on its movable base 8. The valve body 10 is attached to the closing plate 2 above the outlet nozzle 9.

An dem Boden der Balgfedc.r 7 liegt die Schraubenfeder 11 an. Die auf die Balgfeder 7 einwirkende Kraft der Schraubenfeder 11 kann durch die Gewindespindel 12 mit Hilfe des Drehgriffes 13 verändert werden. Die Zuluft wird an der Einlaßdüse 1 zugeführt. An den Ausgang 14 werden die von dem Druckgeber zu betätigenden Geräte angeschlossen.The helical spring 11 rests on the bottom of the bellows spring 11. The force of the helical spring 11 acting on the bellows spring 7 can be changed by the threaded spindle 12 with the aid of the rotary handle 13. The supply air is fed in at the inlet nozzle 1. The devices to be actuated by the pressure transducer are connected to output 14.

Im stationären Zustand sind die Einlaßdüse 1 und die Auslaßdüse 9 geschlossen. Es besteht Gleichgewicht zwischen der Wirkung des Druckes im Innenraum 15 auf die wirksame Fläche des Federbalges 7 und der Kraft der Schraubenfeder 11. In the stationary state, the inlet nozzle 1 and the outlet nozzle 9 are closed. There is a balance between the effect of the pressure in the interior 15 on the effective area of the spring bellows 7 and the force of the helical spring 11.

Entnimmt man am Ausgang 14 des Druckgebers Luft, so sinkt der Druck im Innenraum 15, und die Balgfeder 7 wird etwas zusammengedrückt. Hierdurch wird die Schließplatte 2 von der Einlaßdüse entfernt, so daß Luft nachströmt.If air is taken from the outlet 14 of the pressure transducer, the pressure in the interior 15 drops and the bellows spring 7 is compressed somewhat. As a result, the closing plate 2 is removed from the inlet nozzle, so that air flows in.

Kehrt man die Strömungsrichtung am Ausgang 14 des Druckgebers um, wie es z. B. bei Erhöhung des Druckes in angeschlossenen Geräten der Fall sein dürfte, so steigt auch der Druck im Innenraum 15. Die Balgfeder 7 wird demzufolge ausgedehnt und die Auslaßdüse 9 geöffnet.If you reverse the direction of flow at the outlet 14 of the pressure transducer, as z. B. should be the case when the pressure in connected devices is increased, the pressure in the interior 15 also increases. The bellows spring 7 is consequently expanded and the outlet nozzle 9 is opened.

In Abb. 2 ist der funktionelle Zusammenhang des Druckverlaufes über der Luftentnahme des Druckgebers dargestellt. In Richtung der Ordinate ist der Druckunterschied p"-p, zwischen dem eingestellten Sollwert des Druckes p, und dem Druck am Ausgang des Druckgebers p, in kg/m-' und in Richtung der Abszisse die Luftentnahme Q in m3/h aufgetragen. Die Kurve zeigt in der Nähe des Nullpunktes einen unstetigen Verlauf. Diese den Umsteuerfehle.r kennzeichnende Unstetigkeit der Kurve rührt daher, daß nach dem Schließen der Einlaßdüse 1 durch die Schließplatte 2 infolge der weiteren Bewegung des Federbalges 7 die Auslaßdüse 9 geöffnet wird. Hierbei ist nicht mehr die ganze wirksame Fläche des Federbalges 7 dem Innendruck ausgesetzt, wie es der Fall ist, solange die Auslaßdüse 9 kraftschlüssig durch den Ventilkörper 10 mit der Schließplatte 2 verbunden ist. Es wird vielmehr als Folge des Umkehrens durch das Öffnen der Auslaßdüse die für den Innendruck wirksame Fläche des Federbalges 7 um die wirksame Fläche der Auslaßdüse 9 herabgesetzt. Es muß also der Druck im Innenraum etwas ansteigen, um die. Auslaßdüse 9 zu öffnen. Der als Umsteuerfehler in Erscheinung tretende Druckanstieg isi in der Kurve mit U gekennzeichnet.Fig. 2 shows the functional relationship between the pressure curve over the air extraction of the pressure transducer. In the direction of the ordinate, the pressure difference p "-p, between the setpoint value of the pressure p, and the pressure at the output of the pressure transducer p, in kg / m- 'and in the direction of the abscissa, the air extraction Q is plotted in m3 / h The curve shows a discontinuous course in the vicinity of the zero point. This discontinuity of the curve, which characterizes the reversing errors, is due to the fact that after the inlet nozzle 1 has closed by the closing plate 2, the outlet nozzle 9 is opened as a result of the further movement of the bellows 7 the entire effective surface of the bellows 7 is exposed to the internal pressure, as is the case as long as the outlet nozzle 9 is positively connected by the valve body 10 to the closing plate 2. Rather, as a result of the reversal by the opening of the outlet nozzle, the pressure for the internal pressure The effective area of the bellows 7 is reduced by the effective area of the outlet nozzle 9. The pressure in the interior must therefore rise somewhat in order to avoid the outlet nozzle 9 to open. The pressure increase appearing as a reversal error is marked with U in the curve.

Der in Abb. 3 dargestellte Druckgeber besitzt in gleicher Weise wie das Gerät nach Abb. 1 die wechselweise wirkende Einlaß- und Auslaßdüse 1 und 9, welche durch die Schließplatte 2 mit Hilfe des Federbalges 7 betätigt werden. Zur Behebung des Umsteuerfehlers ist dem Ventilkörper 10 und der Auslaßdüse 9 gegenüberliegend die Balgfeder 16 einerseits mit der Schließplatte 2 und andererseits mit der Öffnung im Gehäuse 6 druckdicht verbunden. Hierdurch wird ein Teil der Schließplatte 2 dem äußeren Luftdruck ausgesetzt. Die Größe der wirksamen Fläche, welche dem äußeren Luftdruck ausgesetzt wird, ist erfindungs-Lmüß so zu wählen, daß die Zugfeder 4 allein (lern Druck der durch die Einlaßdüse 1 auf die Schließplatte 2 wirkenden Zuluft das Gleichgewicht halten muß. Aus der folgenden mathematischen Darstellung ist die Richtigkeit dieser Überlegung zu ersehen.The pressure transmitter shown in Fig. 3 has in the same way as the device according to Fig. 1 the alternately acting inlet and outlet nozzle 1 and 9, which are actuated by the closing plate 2 with the aid of the bellows 7. To the Elimination of the reversal error is the valve body 10 and the outlet nozzle 9 opposite the bellows spring 16 on the one hand with the closing plate 2 and on the other hand with the opening connected in a pressure-tight manner in the housing 6. As a result, part of the closing plate 2 is the exposed to external air pressure. The size of the effective area, which corresponds to the outer Is exposed to air pressure, the invention-L must be chosen so that the tension spring 4 alone (learn the pressure acting on the closing plate 2 through the inlet nozzle 1 Supply air must keep the balance. From the following mathematical representation the correctness of this consideration can be seen.

Unter Verwendung der in Abb.3 eingetragenen Bezeichnungen wird für die um den Auflagepunkt 5 drehbare Schließplatte 2 die Drehmomentengleichung aufgestellt: K-11 +F1*11(Pe-P") +p"(F3-F2)12-13c.x=0. (1) Hierin bedeutet K die Kraft, mit welcher die Schließplatte 2 unter Einwirkung der Zugfeder 4 auf der Einlaßdüse 1 aufliegt; p,, den Überdruck der zugeführten Druckluft an der Einlaßdüse 1 gegenüber der Umgebung; p" den Überdruck der Luft am Ausgang des Druckgebers 14 und zugleich im Innenraum 15 gegenüber der Umgebung; F1 die wirksame Fläche, mit welcher der Überdruck p, auf die Schließplatte 2 einwirkt; FZ die wirksame Fläche, mit welcher der überdruck p" auf den Ventilkörper 10 einwirkt; F3 die wirksame Fläche, mit welcher der Luftdruck in der Umgebung des Druckgebers auf die Schließplatte 2 einwirkt; es ist dies die von der Balgfeder 16 an der Schließplatte freigelassene Fläche; c die Federkonstante der Zugfeder 4; x die Auslängung der Zugfeder 4; 11 den Abstand der Einlaßdüse 1 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte 2; 12 den Abstand der Auslaßdüse 9 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte 2; 13 den Abstand der Zugfeder 4 vom Auflagepunkt 5 der Schließplatte 2. Die Erfindung sieht vor, daß die Wirkung des inneren Überdruckes p" auf die wirksame Fläche F, der Einlaßdüse 1 und auf die wirksame Fläche F2 der Auslaßdüse 9 durch die vom Druck in der Umgebung des Druckgebers belastete Fläche F3 aufgehoben wird. ,Dies ist der Fall, wenn in Gleichung (1) die Summe der Faktoren von p" zu Null wird: P, - [(F3-F2)12-F, - 111 = 0. (2) Damit wird Gleichung (1) zu K-11+F,.11-Pe-13'C'x=0. (3) Der Druckgeber ist also in seiner Arbeitsweise. unabhängig von der Wirkung des inneren Überdruckes auf die wirksame Fläche der Einlaßdüse und auf die wirksame Fläche der Auslaßdüse und damit ohne Umsteuerfehler, wenn aus Gleichung (2) folgende. Bedingung eingehalten wird: F3-12-F2-12-F1-11=0. (4) Wenn der Überdruck p,, der zugeführten Druckluft angenähert konstant bleibt, so ist es zulässig, die Auflagekraft K der Schließplatte 2 auf die Einlaßdüse 1 so gering zu wählen, daß das Glied K - 11 in Gleichung (3) gegenüber den anderen Gliedern vernachlässigt werden kann. Damit kommt der Zugfeder 4 allein die Aufgabe zu, der Wirkung des Überdruckes pf, der Zuluft auf die Fläche F, das Gleichgewicht zu halten, und zwar so, als ob die Schließplatte im übrigen nur dem Druck in der Umgebung des Gerätes ausgesetzt wird. Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Erfindungsgedanke läßt sich außer bei pneumatischen Druckgebern auch zur Vermeidung des Umsteuerfehlers an pneumatischen Relais oder anderen selbsttätigen Steuereinrichtungen anwenden, die mit pneumatischem oder hydraulischem Druckmittel als Hilfskraft betrieben werden. Anstatt der zur Einwirkeng des in der Umgebung herrschenden Druckes auf eine Fläche der Schließplatte vorgesehenen Balgfeder kann man selbstverständlich auch andere elastische Verbindungen anwenden, welche einen druckdichten Abschluß an der Schließplatte und am Gehäuse des Gerätes zulassen.Using the designations entered in Fig. 3, the torque equation is set up for the closing plate 2, which can be rotated about the support point 5: K-11 + F1 * 11 (Pe-P ") + p" (F3-F2) 12-13c.x = 0. (1) Herein, K is the force with which the closing plate 2 rests under the action of the tension spring 4 on the inlet nozzle 1; p ,, the overpressure of the compressed air supplied at the inlet nozzle 1 in relation to the environment; p "is the overpressure of the air at the outlet of the pressure transducer 14 and at the same time in the interior 15 with respect to the surroundings; F1 the effective area with which the overpressure p acts on the closing plate 2 ; FZ the effective area with which the overpressure p" acts on the Valve body 10 acts; F3 is the effective area with which the air pressure in the vicinity of the pressure transducer acts on the closing plate 2; this is the area left free by the bellows spring 16 on the closing plate; c is the spring constant of the tension spring 4; x the elongation of the tension spring 4; 11 the distance between the inlet nozzle 1 and the support point 5 of the closing plate 2; 12 the distance of the outlet nozzle 9 from the support point 5 of the closing plate 2; 13 the distance of the tension spring 4 from the support point 5 of the closing plate 2. The invention provides that the effect of the internal overpressure p "on the effective area F, the inlet nozzle 1 and on the effective area F2 of the outlet nozzle 9 by the pressure in the Environment of the pressure transducer loaded area F3 is canceled., This is the case when in equation (1) the sum of the factors of p "becomes zero: P, - [(F3-F2) 12-F, - 111 = 0. (2) With this equation (1) becomes K-11 + F, .11-Pe-13'C'x = 0. (3) The pressure transducer is thus in its mode of operation. regardless of the effect of the internal overpressure on the effective area of the inlet nozzle and on the effective area of the outlet nozzle and thus without reversal errors, if the following from equation (2). Condition is met: F3-12-F2-12-F1-11 = 0. (4) If the overpressure p ,, of the supplied compressed air remains approximately constant, it is permissible to select the contact force K of the closing plate 2 on the inlet nozzle 1 so low that the element K - 11 in equation (3) is compared to the others Outlines can be neglected. Thus, the tension spring 4 has the sole task of maintaining the balance of the effect of the overpressure pf, the supply air on the surface F, as if the closing plate was only exposed to the pressure in the vicinity of the device. The application of the inventive concept is not limited to the illustrated embodiment. In addition to pneumatic pressure transducers, the concept of the invention can also be used to avoid reversing errors on pneumatic relays or other automatic control devices that are operated with pneumatic or hydraulic pressure medium as an auxiliary force. Instead of the bellows spring provided for the action of the surrounding pressure on a surface of the closing plate, it is of course also possible to use other elastic connections which allow a pressure-tight seal on the closing plate and on the housing of the device.

Claims

PATENT CLAIM: Device on pressure transducers or relays that use a pressure medium as an auxiliary force and in which alternately acting inlet and outlet valves are arranged on lever arms which, based on the pivot point of the closing plate actuating them, have a different length, characterized in that for Elimination of the reversal error, which manifests itself as a sudden change in pressure during the transition from a delivery to a take-up of the pressure medium, on the closing plate (2) an area (F .) is provided, which is exposed to the pressure in the environment, of the pressure transducer or relay. Considered publications: German Patent No. 856 370; German Auslegeschrift S 28011 IX b / 42 r (published on June 28, 1956); Control engineering, 1957, Issue 7, pp. 235 and 236.