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Dokumentenidentifikation DE102006011503A1 27.09.2007
Titel Stellungsregler mit elektropneumatischen Ventilen und Prozessautomatisierungsgerät
Anmelder ABB Research Ltd., Zürich, CH
Erfinder Fach, Alexander, Dipl.-Phys., Zürich, CH;
Pape, Detlef, Dipl.-Phys., Nussbaumen, CH;
Crevatin, Mario, Winterthur, CH
Vertreter Miller, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 68526 Ladenburg
DE-Anmeldedatum 14.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006011503
Offenlegungstag 27.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2007
IPC-Hauptklasse G05D 16/00(2006.01)A, F, I, 20060314, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Stellungsregler (1) mit über eine Elektronik (2) ansteuerbaren elektropneumatischen Ventilen (4, 5) vorgeschlagen, welche zur Beaufschlagung einer Druckkammer (3) unter Einsatz einer Druckluftversorgung (6) dienen, wobei mittels der Druckkammer (3) ein Stellglied (8) beaufschlagbar ist. Der Stellungsregler (1) weist einen Wandler (10) auf, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom $I1 in elektrische Energie wandelt, um derart elektrische Komponenten, inbesondere die Elektronik (2), mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner wird ein Prozessautomatisierungsgerät (63) vorgeschlagen, welches für seine Funktion bereits über eine Druckluftversorgung (6) verfügt, wie insbesondere Ventilstellungsregler, Strom-Druck-Wandler, pneumatischer Aktor, dezentrale Anlagensteuerung und Werkzeugkopf für Roboter, und bei welchem zur Versorgung von Mess-, Regel- oder Kommunikationselektronik (2, 13) des Prozessautomationsgeräts (63) mit elektrischer Energie (63) ein Wandler (10) vorgesehen ist, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom $I2 in elektrische Energie wandelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellungsregler mit elektropneumatischen Ventilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Prozessautomatisierungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Ventilstellungsregler für pneumatisch betriebene Ventile haben die Aufgabe, die Position des Ventils durch Einlassen bzw. Ablassen von Druckluft in eine Druckkammer zu regeln. Die hohen Kräfte, die zum Öffnen und Schließen des Ventils erforderlich sind, werden durch den Druck in der Druckkammer erzeugt. Die Vorgabe der Ventilstellung erfolgt über ein elektrisches Signal. Der Ventilstellungsregler ist daher mit zwei elektrischen Leitungen mit einer übergeordneten Automationstechnik verbunden. Über diese zwei Leitungen erfolgt auch die gesamte elektrische Energieversorgung des Ventilstellungsreglers. Die zur Verfügung stehende elektrische Leistung ist bei diesen 2-Draht-Geräten sehr begrenzt und muss dazu ausreichen, die gesamte Elektronik zu betreiben sowie die elektropneumatischen Ventile zu betätigen, die die Druckluft in die Druckkammer einsteuern bzw. ablassen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, werden bei den heutigen Geräten neben einem so genannten Strom-zu-Druck-Wandler (current to pressure-"I/P"-transducer), der mit einer sehr geringen elektrischen Leistungsaufnahme auskommen muss, auch pneumatische Verstärker verwendet. Diese beziehen zusätzliche Energie aus der Druckluftversorgung, um die elektropneumatischen Ventile, die den Druck in der Druckkammer regeln, zu betätigen. Hierzu wird beispielsweise auf die EP 1 441 266 A2 hingewiesen.

Ein wesentlicher Nachteil des Funktionsprinzips solcher Systeme ist darin zu sehen, dass pneumatische Verstärker nichtlineare Kennlinien und lange Totzeiten zeigen, welche die Regelung erschweren und in manchen Fällen sogar unmöglich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seiner Regeleigenschaften verbesserten Stellungsregler mit elektropneumatischen Ventilen anzugeben.

Des weiteren soll ein hinsichtlich seiner Energieversorgung optimiertes Prozessautomatisierungsgerät angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Stellungsreglers in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Prozessautomatisierungsgeräts in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass man zur Ansteuerung des Stellungsreglers und hier insbesondere der elektropneumatischen Ventile über genügend elektrische Leistung verfügt, so dass auf die Verwendung pneumatischer Verstärker verzichtet werden kann. Naturgemäß sind Stellungsregler mit elektropneumatischen Ventilen sowieso mit einer Druckluftversorgung versehen, aus der man elektrische Energie gewinnen kann, so dass auf dieser Seite keine Mehrkosten entstehen. Mit dem Verzicht auf pneumatische Verstärker sind zwei Vorteile verknüpft:

  • • Die Regelungseigenschaften des Systems werden verbessert, d. h. nachteilige Nichtlinearitäten und Totzeiten werden vermieden.
  • • Es werden die Kosten gesenkt.

Des weiteren ist bei Einsatz des Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie bei einem Prozessautomatisierungsgerät eine optimale Energieversorgung von Mess-, Regel- oder Kommunikationselektronik sichergestellt. Es können wünschenswerte Zusatzfunktionen integriert und Kosten eingespart werden.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen,

3 einen als Kolbengenerator ausgebildeten Wandler Druckluftenergie/elektrische Energie,

4, 5 zwei Ausführungsformen eines Pulsationserzeugers für den Kolbengenerator nach 3,

6, 7 zwei weitere Ausführungsformen von als Kolbengeneratoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische Energie,

8 eine Ausführungsform eines als Schallgenerator ausgebildeten Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie,

9, 10 zwei Ausführungsformen von als thermische Generatoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische Energie,

11 die Verwendung eines Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie bei einem Prozessautomatisierungsgerät.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen dargestellt. Es ist ein Stellungsregler 1, insbesondere Ventilstellungsreg ler, zu erkennen, welcher folgende Baukomponenten aufweist:

  • • eine Druckkammer 3, wobei eine separate Druckkammer nicht zwingend erforderlich ist, sondern ersatzweise das Volumen im nachfolgenden Antrieb oder die Zuleitungen innerhalb des Stellungsreglers eine entsprechende Druckkammer nachbilden können,
  • • ein elektropneumatisches Einlassventil 4, an welches eingangsseitig eine Druckluftversorgung 6 angeschlossen ist und welches ausgangsseitig die Druckkammer 3 beaufschlagt,
  • • ein elektropneumatisches Ablassventil 5, welches eingangsseitig an die Druckkammer 3 angeschlossen ist und über welches gegebenenfalls Druckluft abgelassen wird,
  • • eine Elektronik 2, welche zur Ansteuerung von Einlassventil 4 und Ablassventil 5 dient und diesen Ventilen gegebenenfalls Steuersignale zuleitet,
  • • optional einen Drucksensor 7 zur Erfassung des aktuellen pneumatischen Druckes in der Druckkammer 3, wobei ein entsprechendes Messsignal an die Elektronik 2 abgegeben wird, wobei ein solcher Drucksensor innerhalb des Stellungsreglers für seine normale Regelung nicht erforderlich, jedoch für Diagnosezwecke innerhalb des Stellungsreglers vorteilhaft ist.

Die Druckkammer 3 beaufschlagt (abhängig vom momentanen Druck in der Kammer) ein Stellglied 8, insbesondere ein Ventil, beispielsweise über eine Schubstange. Ein Stellungssensor 9, insbesondere Ventilstellungssensor, erfasst die aktuelle Position des Stellgliedes 8 und gibt ein entsprechendes Messsignal an die Elektronik 2 ab.

Ein Wandler 10 – ein pneumatisch-elektrischer Generator – dient zur Wandlung von Druckluftenergie in elektrische Energie, welche der Elektronik 2 zugeführt wird. Die Druckluftenergie wird beispielsweise aus der Druckluftversorgung 6 bezogen.

Die Elektronik 2 wird von einer übergeordneten Automationstechnik 11 angesteuert, wobei die Kommunikation zwischen Elektronik 2 und Automationstechnik 11 beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 per Funksignal erfolgt. Demgemäß weisen sowohl die Automationstechnik 11 als auch der Stellungsregler 1 jeweils ein Funkkommunikationssystem 15 respektive 13 auf (Funksender, Funkempfänger). Zur Energieversorgung des Stellungsreglers 1 kann beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 zusätzlich ein Magnetfelderzeugungssystem 16 mit Primärwicklung dienen. Korrespondierend hierzu weist der Stellungsregler 1 einen Wandler 14 zur Wandlung von empfangener Magnetfeldenergie in elektrische Energie auf. Auf Details dieser Technologie drahtloser Energieversorgung wird auf die DE 199 26 562 A1 hingewiesen, welche eine Anordnung (sowie ein Verfahren) zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung beschreibt, wobei jeder Aktor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stellungsreglers mit elektropneumatischen Ventilen dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist eine Zweidrahtleitung 12 zwischen der übergeordneten Automationstechnik 11 und dem Stellungsregler 1 respektive dessen Elektronik 2 vorgesehen. Über diese Zweidrahtleitung 12 wird einerseits die Kommunikation zwischen Automationstechnik 11 und der Elektronik 2 abgewickelt, andererseits dient diese Zweidrahtleitung 12 auch zur Energieversorgung des Stellungsreglers 11. Im Übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel in gleicher Art und Weise wie das erste Ausführungsbeispiel ausgebildet (selbstverständlich entfallen die Baukomponenten 13, 14, 15, 16).

Hinsichtlich der Erzeugung von elektrischer Energie aus Druckluft mittels des Wandlers 10 sind verschiedene Technologien realisierbar:

  • • Es kann ein piezoelektrischer Antrieb oder ein auf einer Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung basierender Antrieb verwendet werden (in Verbindung mit einem Kolbengenerator). Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s kann hiermit eine Leistung im Bereich 100 mW–2W realisiert werden.
  • • Es kann ein thermoelektrischer Antrieb verwendet werden, der sich einen Temperaturgradienten zu Nutze macht, welcher durch die Expansion der Luft beim Ablassen entsteht. Vorteilhaft tritt bei einer derartigen Ausführungsform kein Verschleiß von Baukomponenten auf, auch ist diese Ausführungsform unempfindlich gegenüber Beschleunigungen des Energiewandlers. Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s kann hiermit eine Leistung bis zu 7 mW realisiert werden.
  • • Es kann ein von einer Turbine angetriebener Generator verwendet werden. Hier bei ist der Wirkungsgrad relativ hoch und liegt bei 20%–50%, allerdings ist der durch bewegte Teile verursachte relativ hohe Verschleiß zu berücksichtigen. Bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s kann eine Leistung im Bereich 1–3 W realisiert werden.

Unabhängig von der verwendeten Technologie

  • • kann die elektrische Energie entweder kontinuierlich erzeugt werden, wozu ein kontinuierlicher Massefluss aus der Druckluftversorgung notwendig ist,
  • • kann die elektrische Energie auch nur temporär beim Ablassen des Drucks aus der Druckkammer 3 erzeugt werden, was jedoch zusätzlich eine Speicherung der gewonnenen elektrischen Energie erfordert (mittels Akkumulatoren und/oder Kondensatoren).

Nachfolgend werden unterschiedliche Konzepte für die Gewinnung elektrischer Energie aus Druckluft vorgestellt, und zwar unter dem Aspekt kleiner Druckluftmassenströme ṁ von etwa 0,1 g/s. Die maximale Leistung Ẇ, die aus einem Druckluftmassenstrom ṁ beispielsweise durch die Bewegung eines Kolbens gewonnen werden kann, beträgt:

wobei
Leistung
p
Gesamtdruck der Druckluft
p0
Umgebungsdruck
V.
Volumenstrom
Druckluftmassenstrom
R
Gaskonstante
T
Temperatur

Für Raumtemperatur T und einen Druckluftversorgungsdruck von 6 bar ergibt sich hieraus (ohne Berücksichtigung von Verlusten bzw. des Wirkungsgrades) eine maximal erzielbare Leistung von 7 W bei einem Druckluftmassenstrom ṁ von 0,1 g/s.

In 3 ist ein als rotationssymmetrischer Kolbengenerator ausgebildeter Wandler Druckluftenergie/elektrische Energie dargestellt. Der Kolbengenerator 17 weist einen Zylinder 18 mit einem Gaseinlass 19 auf, wobei innerhalb des Zylinders 18 in spiegelsymmetrischer Weise zwei Piezoelemente 20 bzw. 21 angeordnet sind, welche jeweils über ihre eine Stirnfläche an einer Wand des Zylinders 18 befestigt sind und an deren anderer (gegenüberliegender) Stirnfläche jeweils ein Kolben 22 bzw. 23 befestigt ist. An Stelle der beiden Piezoelemente 20, 21 können auch Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnungen eingesetzt werden, wobei beispielsweise die Tauchspulen an der Wand des Zylinders 18 und die Permanentmagnete an den Kolben 22, 23 befestigt sind.

Der den Gaseinlass 19 beaufschlagende Druckluftmassenstrom ṁ tritt in den zwischen beiden Kolben 22, 23 gebildeten Spalt, wodurch die Kolben 22, 23 inklusive der Piezoelemente 20, 21 periodisch vor und zurück bewegt werden (siehe Pfeile). Diese Bewegung (periodische Schwingung) wird piezoelektrisch oder magnetisch in elektrische Energie umgewandelt. Die Steuerung der Druckluft (Be- und Entlüften) kann bei größeren Kolbenbewegungen durch den Kolben selbst erfolgen, bei kleinen Kolbenhüben durch einen zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Pulsationserzeuger (siehe 4 und 5).

Bei Einsatz von Piezoelementen 20, 21 ergeben sich sehr geringe periodische Kolbenauslenkungen, d. h. es handelt sich um eine nahezu statische Konfiguration ohne Verschleiß durch Reibung. Durch die geringe Auslenkung ist das Arbeitsvolumen jedoch klein gegenüber dem Grundvolumen, was den Wirkungsgrad verringert (der Wirkungsgrad wird überwiegend durch das Verhältnis zwischen Arbeitsvolumen zu Gesamtvolumen bestimmt). Verringert man das Grundvolumen beispielsweise durch eine Verringerung des Kolbendurchmessers und setzt eine mechanische statt einer pneumatischen Druckverstärkung auf die Piezoelemente ein (mittels eines Hebels oder durch Verwendung von Piezo-Biegeelementen), so kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.

Bei Einsatz von Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnungen ergeben sich naturgemäß größere periodische Kolbenauslenkungen, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielbar ist.

In den 4 und 5 sind zwei Ausführungsformen eines Pulsationserzeugers für den Kolbengenerator nach 3 dargestellt. 4 zeigt einen mechanischen Pulsationserzeuger 24 mit einem Lufteinlass 25 und einem Luftauslass 26 mit hierzu vergrößertem Querschnitt. Ein an einer Kolbenhalterung 29 befestigter Kolben 28 ist unmittelbar vor dem Luftauslass 26 angeordnet. Am Übergang des Lufteinlasses 25 zum Luftauslass 26 ist ein Anschluss 27 vorgesehen, welcher mit dem Gaseinlass 19 des Kolbengenerators 17 (siehe 3) verbindbar ist. Die Kolbenhalterung 29 ist mit einer federnden Membran 30 verbunden. Der Druckluftmassenstrom ṁ tritt durch den Lufteinlass 25 ein und prallt gegen den Kolben 28, was in Verbindung mit der federnden Membran 30 zu einem periodischen Schwingen des Kolbens 28 (siehe Pfeil) vor dem Luftauslass 26 führt. Hierdurch ergibt sich der für den Kolbengenerator 17 gewünschte pulsierende Druckluftmassenstrom ṁ.

Der in 5 gezeigte elektrische Pulsationserzeuger 31 unterscheidet sich vom mechanischen Pulsationserzeuger 24 dadurch, dass einerseits ein Piezo-Biegelement 32 mit der Kolbenhalterung 29 verbunden ist und dass andererseits die Membran 30 entfällt.

In den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsformen von als Kolbengeneratoren ausgebildeten Wandlern Druckluftenergie/elektrische Energie dargestellt. Bei beiden Kolbengeneratoren 33 bzw. 39 ist eine Blende 35 bzw. 41 mit einem Spalt 36 bzw. 42 vorgesehen, in welchen ein Kolben 34 bzw. 40 eintaucht. Der Kolben 34 bzw. 40 ist über eine Kolbenhalterung 37 bzw. 43 an der Blende 35 bzw. 41. befestigt, wobei diese Kolbenhalterung 37 bzw. 43 sandwichartig mit einem Piezo-Biegeelement 38 bzw. 44 verbunden ("beschichtet") ist bzw. durch das Piezo-Biegeelement gebildet wird. Beim Kolbengenerator 33 befinden sich Kolben 34 und Kolbenhalterung 37 mit Piezo-Biegeelement 38 auf derjenigen Seite der Blende 35, welche nicht unmittelbar vom Druckluftmassenstrom ṁ beaufschlagt wird, so dass der Druckluftmassenstrom ṁ beim Eintritt in den Spalt 36 den Kolben 34 zunächst vom Spalt 36 wegdrückt. Beim Kolbengenerator 39 befinden sich Kolben 40 und Kolbenhalterung 43 mit Piezo-Biegeelement 44 auf derjenigen Seite der Blende 41, welche unmittelbar vom Druckluftmassenstrom ṁ beaufschlagt wird, so dass der Druckluftmassenstrom ṁ beim Eintritt in den Spalt 42 den Kolben 40 zunächst zum Spalt 42 hindrückt.

Bei beiden Kolbengeneratoren 33 bzw. 39 stellt sich nachfolgend ein schwingender Zustand mit periodisch schwingendem Kolben (schwingender Kolbenplatte, siehe Pfeile) 34 bzw. 40 ein, wobei der Kolben abwechselnd durch den Druck ausgelenkt und durch einen durch die entstehende Strömung hervorgerufenen Druckabfall oder/und beispielsweise durch den Bernoulli-Effekt zurückgelenkt wird. Durch diese periodischen Schwingungen wird im Piezo-Biegeelement 38 bzw. 44 elektrische Energie erzeugt. Alternativ zum Piezo-Biegeelement kann wiederum eine Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad bei den Kolbengeneratoren liegt im Bereich 1,5%–30%.

In 8 ist ein als Schallgenerator ausgebildeten Wandler Druckluftenergie/elektrische Energie dargestellt. Der Schallgenerator weist einen Resonator 45 mit Lufteinlass 46 und Luftauslass 47 auf. Der Druckluftmassenstrom ṁ wird durch eine im Resonator 45 befindliche Kante 48 gestört, d. h. der Luftstrom erzeugt durch Wirbelablösungen an der Kante 48 periodische Schwingungen, welche im Resonator 45 verstärkt werden. An den Wänden des Resonator 45 befinden sich Piezoelemente 49, 50, 51, 52, welche diese Schwingungen in elektrische Energie umwandeln. Der Resonator kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, mit einem Lufteinlass in der Mitte und einem Luftauslass am Rand. Um eine unerwünschte Schallabstrahlung in den Außenraum zu verhindern, müssen geeignete Schalldämmmaßnahmen (an den Außenwänden des Resonators) vorgesehen werden. Der Wirkungsgrad ist sehr klein (≪ 5%).

In den 9 und 10 sind zwei als thermische Generatoren ausgebildete Wandler Druckluftenergie/elektrische Energie dargestellt. Die thermischen Generatoren 53, 62 weisen einen Lufteinlass 54, eine nachfolgende Querschnittsverengung 56 und einen Luftauslass 57 mit wiederum erweiterten Querschnitt auf. Im Lufteinlass 54 bzw. in der Querschnittsverengung 56 sind ein Wärmetauscher 55 bzw. 58 angeordnet. Beide Wärmetauscher 55, 58 haben thermischen Kontakt mit einem Thermoelement 59. Der durch den Lufteinlass 54 strömende Druckluftmassenstrom ṁ wird in der Querschnittsverengung 56 beschleunigt (beschleunigte Gasströmung) und kühlt sich dadurch absiehe die Strecke 60 adiabater Beschleunigung und die Strecke 61 isobarer Temperaturerhöhung. Der sich zwischen den Wärmetauschern 55, 58 einstellende Temperaturunterschied wird zur Energiegewinnung mittels des Thermoelements (Wärmekraftmaschine) 59 genutzt. Der Wirkungsgrad ist relativ gering (0,1 %).

In 11 ist die Verwendung eines Wandlers Druckluftenergie/elektrische Energie bei einem Prozessautomatisierungsgerät dargestellt. Dabei ist ein eine Druckluftversorgung 6 aufweisendes Prozessautomatisierungsgerät 63 (Ventilstellungsregler oder Strom-Druck-Wandler oder pneumatischer Aktor oder dezentrale Anlagensteuerung oder Werkzeugkopf für einen Roboter) zu erkennen, wobei der Wandler 10 eine Wandlung von Druckluft in elektrische Energie durchführt. Diese elektrische Energie dient zur Speisung der Elektronik 2 inklusive des Funkkommunikationssystems 13. Die Kommunikation zwischen der übergeordneten Automationstechnik 11 mit Funkkommunikationssystem 15 und dem Prozessautomatisierungsgerät 63 findet wiederum vorzugsweise per Funk statt.

Die unter den 310 für die spezielle Verwendung bei einem Stellungsregler erläuterten Wandler, welche einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandeln, können allgemein bei allen eine Druckluftversorgung aufweisenden Prozessautomatisierungsgeräten eingesetzt werden. Dabei sind drei unterschiedliche Geräte-Typen zu unterscheiden:

  • 1) Viele pneumatische Prozessautomatisierungsgeräte werden mit einem elektrischen Steuersignal betrieben, welches gleichzeitig zur elektrischen Energieversorgung dient, aber nur eine relativ geringe elektrische Leistung liefern kann, wie Positioner für Ventile, Stellungsgeber für pneumatische Versteller/Druckluftkolben, Strom-Druck-Wandler (I/P-Wandler). Mit dieser Leistung muss die Steuerelektronik als auch die elektrische Ansteuerung versorgt werden. Daher werden die Aktuatoren aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung üblicherweise mit einer sehr energiesparenden Ansteuerung betrieben und häufig über eine oder mehrere pneumatische Verstärkerstufen angesteuert, da die elektrische Leistung für eine direkte Ansteuerung nicht ausreicht. Durch Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandelt (siehe die vorstehend erläuterten Ausführungsformen), kann infolge der gewonnenen zusätzlichen elektrischen Energie die Ansteuerung direkter erfolgen, wodurch die Steuerungseigenschaften dieser Ansteuerung optimiert und/oder die pneumatische Ansteuerung durch eine günstigere elektrische Ansteuerung ersetzt werden kann. Ferner kann infolge der gewonnenen zusätzlichen elektrischen Energie der zusätzliche Energiebedarf (Eigenbedarf) abgedeckt werden, der durch zusätzliche „Intelligenz" entsteht, wie zusätzliche Rechenleistung in der Steuerelektronik, beispielsweise für Diagnosefunktionen oder die Optimierung der Steuerung. Ganz allgemein kann durch zusätzliche elektrische Energie die Rechenleistung der betrachteten Prozessautomatisierungsgeräte erhöht werden, wodurch weitere wünschenswerte Zusatzfunktionen integriert werden können.
  • 2) Bei rein druckluftbetriebenen Prozessautomatisierungsgeräten, beispielsweise Druckregler, Druckumsetzer und auch bei pneumatischen Werkzeugen (wie Tacker, Schleifgeräte, Sprühpistolen) ist es nach Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandelt, zusätzlich möglich, Zusatzfunktionen mit elektrischem Energieverbrauch, wie Diagnose, elektrische Rückmeldung des Ist-Zustandes zu realisieren. Es ist vorteilhaft hierzu nicht erforderlich, elektrische Anschlüsse zur Verfügung zu stellen und zu installieren, sondern das Gerät versorgt sich selbst mittels des Wandlers. Hierdurch reduziert sich der Installationsaufwand. Desgleichen ist es möglich, aufgrund der vom Wandler gewonnenen elektrischen Energie pneumatische Komponenten des Gerätes durch elektrische Komponenten zu ersetzen, was Kosten einspart und/oder die Eigenschaften des Gerätes optimiert.
  • 3) Bisher elektrisch angesteuerte Prozessautomatisierungsgeräte, welche z. B. über einen Zweileiter-Anschluss oder ein Bussystem mit der Anlagensteuerung verbunden sind, können nach Einsatz eines Wandlers, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandelt, über Funksignale angesteuert werden, da nunmehr die elektrische Energieversorgung der Mess-, Regel- oder Kommunikationselektronik über den Wandler erfolgt und elektrische Anschlussleitungen hierfür nicht mehr erforderlich sind. Dies vereinfacht die Installation der Geräte und reduziert die Installationskosten.

Insbesondere können außer dem eingangs erläuterten Stellungsregler (Positioner für Ventile, Stellungsgeber, welcher pneumatische Versteller/Druckluftkolben regelt) folgende Prozessautomatisierungsgeräte mit einem Wandler ausgerüstet werden, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom ṁ in elektrische Energie wandelt:

  • • Strom-Druck-Wandler (I/P-Wandler), welcher aus einer Versorgungsdruckluft einen Druck erzeugt, der zu einem elektrischen Steuersignal proportional ist.
  • • Dezentrale Anlagensteuerung, für welche ohne Einsatz des vorgeschlagenen Wandlers explizit eine elektrische Energieversorgung installiert werden muss.
  • • Werkzeugkopf für einen Roboter, indem die zur Steuerung/Kommunikation erforderliche Energie im Werkzeugkopf aus pneumatischer Energie mittels des Wandlers erzeugt wird.

Druckluftmassenstrom
Leistung
R
Gaskonstante
p
Gesamtdruck der Druckluft
p0
Umgebungsdruck
V.
Volumenstrom
T
Temperatur
1
Stellungsregler, insbesondere Ventilstellungsregler
2
Elektronik
3
Druckkammer
4
elektropneumatisches Einlassventil
5
elektropneumatisches Ablassventil
6
Druckluftversorgung
7
Drucksensor
8
Stellglied, insbesondere Ventil
9
Stellungssensor, insbesondere Ventilstellungssensor
10
Wandler Druckluft/elektrische Energie
11
Automationstechnik
12
Zweidrahtleitung
13
Funkkommunikationssystem
14
Wandler Magnetfeldenergie/elektrische Energie
15
Funkkommunikationssystem
16
Magnetfelderzeugungssystem mit Primärwicklung
17
Kolbengenerator
18
Zylinder
19
Gaseinlass
20
Piezoelement
21
Piezoelement
22
Kolben
23
Kolben
24
mechanischer Pulsationserzeuger
25
Lufteinlass
26
Luftauslass
27
Anschluss zum Kolbengenerator
28
Kolben
29
Kolbenhalterung
30
Membran
31
elektrischer Pulsationserzeuger
32
Piezo-Biegeelement
33
Kolbengenerator
34
Kolben
35
Blende
36
Spalt
37
Kolbenhalterung
38
Piezo-Biegeelement
39
Kolbengenerator
40
Kolben
41
Blende
42
Spalt
43
Kolbenhalterung
44
Piezo-Biegeelement
45
Schallgenerator mit Resonator
46
Lufteinlass
47
Luftauslass
48
Kante
49
Piezoelement
50
Piezoelement
51
Piezoelement
52
Piezoelement
53
thermischer Generator
54
Lufteinlass
55
Wärmetauscher
56
Querschnittsverengung
57
Luftauslass
58
Wärmetauscher
59
Thermoelement
60
Strecke adiabater Beschleunigung
61
Strecke isobarer Temperaturerhöhung
62
thermischer Generator
63
Prozessautomationsgerät (Ventilstellungsregler, Strom-Druck-Wandler,
pneumatische Aktor, dezentrale Anlagensteuerung, Werkzeugkopf für ei
nen Roboter)


Anspruch[de]
Stellungsregler (1) mit über eine Elektronik (2) ansteuerbaren elektropneumatischen Ventilen (4, 5), welche zur Beaufschlagung einer Druckkammer (3) unter Einsatz einer Druckluftversorgung (6) dienen, wobei mittels der Druckkammer (3) ein Stellglied (8) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellungsregler (1) einen Wandler (10) aufweist, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) in elektrische Energie wandelt, um derart elektrische Komponenten, insbesondere die Elektronik (2) zur Ansteuerung der elektropneumatischen Ventile (4, 5), mit elektrischer Energie zu versorgen. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbengenerator (17, 33, 39) eingesetzt ist, der dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzt ist und dessen Kolben (22, 23, 34, 40) mit einem Piezoelement (20, 21, 38, 44) in Wirkverbindung steht. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbengenerator (17, 33, 39) eingesetzt ist, der dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzt ist und dessen Kolben (22, 23, 34, 40) mit einer Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung in Wirkverbindung steht. Stellungsregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein mechanischer oder elektrischer Pulsationserzeuger (24, 31) vorgesehen ist. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallgenerator mit einem dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzten Resonator (45) eingesetzt ist, welcher eine Wirbelablösungen erzeugende Kante (48) sowie mindestens ein Piezoelement (4952) an der Wand des Resonators aufweist. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Generator (53, 62) mit einem Thermoelement (59) eingesetzt ist, welches in Kontakt mit zwei Wärmetauschern (55, 58) steht, welche unterschiedlichen Querschnitt für den gleichen strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) aufweisen. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) beaufschlagte Turbine mit angetriebenem Generator eingesetzt ist. Prozessautomatisierungsgerät (63), welches für seine Funktion bereits über eine Druckluftversorgung (6) verfügt, wie insbesondere Ventilstellungsregler, Strom-Druck-Wandler, pneumatische Aktor, dezentrale Anlagensteuerung und Werkzeugkopf für Roboter, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung von Mess-, Regel- oder Kommunikationselektronik (2, 13) des Prozessautomationsgeräts (63) mit elektrischer Energie (63) ein Wandler (10) vorgesehen ist, welcher einen strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) in elektrische Energie wandelt. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbengenerator (17, 33, 39) eingesetzt ist, der dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzt ist und dessen Kolben (22, 23, 34, 40) mit einem Piezoelement (20, 21, 38, 44) in Wirkverbindung steht. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbengenerator (17, 33, 39) eingesetzt ist, der dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzt ist und dessen Kolben (22, 23, 34, 40) mit einer Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung in Wirkverbindung steht. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein mechanischer oder elektrischer Pulsationserzeuger (24, 31) vorgesehen ist. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallgenerator mit einem dem strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) ausgesetzten Resonator (45) eingesetzt ist, welcher eine Wirbelablösungen erzeugende Kante (48) sowie mindestens ein Piezoelement (4952) an der Wand des Resonators aufweist. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Generator (53, 62) mit einem Thermoelement (59) eingesetzt ist, welches in Kontakt mit zwei Wärmetauschern (55, 58) steht, welche unterschiedlichen Querschnitt für den gleichen strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) aufweisen. Prozessautomatisierungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom strömenden Druckluftmassenstrom (ṁ) beaufschlagte Turbine mit angetriebenem Generator eingesetzt ist.






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