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Dokumentenidentifikation DE10019248B4 24.08.2006
Titel Ventilpositionsgeber mit Strom/Pneumatik-Wandler und Verfahren zum Steuern eines Ventilpositionsgebers
Anmelder Yokogawa Electric Corporation, Musashino, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Saito, Yoji, Musashino, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Henkel, Feiler & Hänzel, 80333 München
DE-Anmeldedatum 18.04.2000
DE-Aktenzeichen 10019248
Offenlegungstag 08.03.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse G08C 19/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F15B 9/09(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Ventilpositionsgeber, dessen Anzahl an Bauteilen reduziert werden kann, während die Stromzuordnung zu seinem Strom/Pneumatik-Wandlermodul (14) erhöht wird, wird durch das Bereitstellen der folgenden Merkmale bei einem bekannten Ventilpositionsgeber mit einer digitalen Berechnungsschaltung (9) und einem Strom/Pneumatik-Wandlermodul (14) verwirklicht, bei denen die oben genannte digitale Berechnungsschaltung (9) als Eingaben über die Eingangsanschlüsse (T1, T2) Stromsignale empfängt, die Sollwertinformation enthalten, und die Steuerungsberechnung zur Steuerung der Ventilöffnungsvorgänge ausführt, so daß jeder Ventilöffnungsvorgang mit jedem entsprechenden Sollwert übereinstimmt, und wobei das oben genannte Strom/Pneumatik-Wandlermodul (14) die Steuerausgaben der digitalen Berechnungsschaltung (9) in pneumatische Signale wandelt, mit:
einem Leistungsspannungs-Erzeugungsmittel (4), das eine interne Leistungsspannung aus dem oben genannten Stromsignal erzeugt;
einer variablen Impedanzschaltung (3), die in Reihe mit dem oben genannten Leistungsspannungs-Erzeugungsmittel (4) geschaltet ist;
einer Impedanzsteuerschaltung (1), die die Impedanz der oben genannten variablen Impedanzschaltung steuert; und
einer Parallelschaltung des oben genannten Strom/Pneumatik-Wandlermoduls (14) mit der oben genannten variablen Impedanzschaltung (3).
Ebenfalls wird ein Strom/Pneumatik-Wandler in einer Art verwirklicht, die der oben beschriebenen ähnlich ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Ventilpositionsgeber, der einen Mikroprozessor mit einer Funktion zur Ausbildung digitaler Kommunikationen enthält, und insbesondere eine Verbesserung, mit der der dem Strom/Pneumatik-Wandlermodul zugewiesene Strom erhöht werden kann, obwohl der Strom begrenzt ist. Zusätzlich ist die Erfindung auch auf Strom/Pneumatik-Wandler anwendbar, die ein elektrisches Signal in ein pneumatisches Signal wandeln.

Der Ventilpositionsgeber steuert das Öffnen eines Ventils, und sein Rückkopplungssignal verwendet das Ventilöffnungssignal oder das Spindel-Positionssignal (stem position signal). Der Strom/Pneumatik-Wandler wandelt ein elektrisches Signal, beispielsweise 4 bis 20 mA, in ein pneumatisches Signal, etwa 0,2 bis 1,0 [kgf/cm2]. Solch ein Ventilpositionsgeber ist beispielsweise in der Drukschrift JP 09-144703 A offenbart, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wurde.

1 zeigt eine Zeichnung, die die gesamte Konfiguration eines herkömmlichen Ventilpositionsgebers zeigt. In 1 wird ein Betriebssignal für den Ventilpositionsgeber 100, der ein elektrisches Signal, etwa 2 bis 20 mA, verwendet, Anschlüssen T1 und T2 eingegeben.

Eine veränderbare Impedanzschaltung 3 und ein in Reihe geschalteter Nebenschlußregler 4 (shunt regulator) sind mit den Eingangsanschlüssen T1 und T2 verbunden, und eine interne Leistungsspannung V2, die die internen Schaltungen des Ventilpositionsgebers antreibt, wird auf der positiven Seite des Nebenschlußreglers 4 erzeugt. Als Nebenschlußregler 4 wird eine Zehnerdiode/Dioden, integrierte Schaltungen oder aus diesen Elementen gebildete Schaltungen und ihre peripheren Elemente usw. verwendet.

Zusätzlich ist eine Impedanzsteuerschaltung 1 mit den Eingangsanschlüssen T1 und T2 verbunden und stellt die Impedanz der variablen Impedanzschaltung 3 zur Steuerung der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 normalerweise auf eine etwa konstante Spannung von 12 V oder weniger ein. Dieser Betrieb hält die Impedanz zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 in einem niedrigen Zustand in dem Gleichstrombereich des Betriebssignals. Im allgemeinen wird als variables Impedanzelement in der variablen Impedanzschaltung 3 ein npn- oder ein pnp-Transistor oder ein FET (Feldeffekttransistor) benutzt.

Ein parallel zu dem Nebenschlußregler 4 geschalteter Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 5 wird verwendet, um die Stromkapazität zu erhöhen, indem die von dem Nebenschlußregler 4 zugeführte interne Leistungsspannung V2 in Schritten heruntergesetzt wird. Somit liefert der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler Betriebsspannung V3 für das Strom/Pneumatik-Wandlermodul (im folgenden als "E/P-Modul" 14 bezeichnet), das einen hohen Leistungsverbrauch und die Mikrosteuerung 9 erfordert. Da der in 1 gezeigte Ventilpositionsgeber so betrieben werden muß, daß sein Minimalbetriebsstrom höchstens 4 mA ist, normalerweise 3,6 mA oder weniger aufgrund der Beschränkung des Eingabesignalstroms, wird die Stromkapazität mittels des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 5 erreicht. Zusätzlich werden als Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler für solche Zwecke Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zum schrittweise Heruntersetzen der Spannung, etwa vom Ladungspumpentyp oder vom Umschalt-Regulatortyp, verwendet.

Ein stromdetektierendes Element 2 und ein Stromdetektor 7 detektieren ein Stromsignal, das den Eingangsanschlüssen T1 und T2 eingegeben wird, und das detektierte Signal wird an den A/D-Wandler (ADC) 8 gesendet. Im allgemeinen ist das stromdetektierende Element 2 ein Widerstand, und der Stromdetektor 7 ist ein Verstärker mit einem Operationsverstärker.

Sende-und-Empfangs-Schaltungen 6 empfangen ein Anforderungssignal, das von einem entsprechenden Instrument (nicht gezeigt) gesendet wird, und senden ein Antwortsignal an das entsprechende Instrument über digitale Kommunikation. In diesem Fall ist das entsprechende Instrument mit den Eingangsanschlüssen T1 und T2 über eine Zweidraht-Übertragungsleitung verbunden.

Die die digitale Kommunikation mit dem Ventil und die Positionssteuerung des Ventils 16 ausführende Mikrosteuerung 9 enthält einen Mikroprozessor und periphere Schaltungen, so wie etwa einen Speicher, und sie speichert die Kommunikations-Verarbeitungsprogramme, wie etwa Anfragesignale und Antwortsignale, und die Steuerprogramme, wie etwa PID-Steuerung und Fuzzy-Steuerung. Ein D/A-Wandler (DAC) 10 wandelt ein digitales Steuerausgabesignal der Mikrosteuerung 9 in ein analoges Signal. Ein Treiber 13 führt eine Verstärkung und Impedanzwandlung des analogen Signals durch, das von dem DAC 10 gesendet wird, und sendet das resultierende Signal an das E/P-Modul 14. Eine Sensorschnittstelle 11 verarbeitet das Signal von einem Positionssensor 12 und sendet das resultierende Signal an den ADC 8. Der ADC 8 digitalisiert das von dem Stromdetektor 7 gesendete Eingangsstromsignal und das Positionssignal vom Ventil 16 und sendet diese an die Mikrosteuerung 9.

Als nächstes wird das pneumatische System beschrieben. Das E/P-Modul 14 wandelt den Eingangstreiberstrom in das entsprechende pneumatische Signal und steuert beispielsweise den Luftdruck einer Düse mit einem Vorschubmotor (torque motor). Ein Steuerrelais 15 verstärkt das pneumatische Signal und treibt beispielsweise das Ventil 16 in die Öffnungs- oder Schließrichtung mit dem pneumatischen Signal von 0,2 bis 1,0 [kgf/cm2]. Da das Öffnen des Ventils 16 mit Änderungen seiner Spindelposition (stem position) verbunden ist, wird diese Spindelposition mit einem Positionssensor 12 detektiert.

In dem wie oben beschrieben gebildeten System können digitale Kommunikationen zwischen dem entsprechenden Instrument und dem Ventilpositionsgeber durchgeführt werden, indem digitale Signale entsprechend einem vorgegebenen Protokoll auf der Zweidraht-Übertragungsleitung überlagert werden, welche die Betriebssignale, etwa 4 bis 20 mA, sendet und empfängt. Zusätzlich ist es für die Implementierung digitaler Kommunikation mit dem entsprechenden Instrument nötig, die Impedanz zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 auf einem festgelegten hohen Wert in einem Kommunikationsfrequenzband zu halten, um den Signalverlauf der von dem entsprechenden Instrument gesendeten digitalen Kommunikationssignale zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 zu halten. Dementsprechend steuert die Impedanzsteuerschaltung 1 die Impedanz der variablen Impedanzschaltung 3 auf hohe Werte von beispielsweise 230 &OHgr; bis 1100 &OHgr; in dem Kommunikationsband.

Die Ventilpositionssteuerung wird wie im Anschluß gezeigt gebildet. Ein Positionssignal des Positionssensors 12 wird an die Mikrosteuerung 9 über die Sensorschnittstelle 11 und den ADC 8 gesendet, der Steuerberechnung der Mikrosteuerung 9 ausgesetzt, und die Steuerausgabe wird an die Treiberschaltung 13 über den DAC 10 gesendet. Das Öffnen des Ventils wird auf einen Zielwert gesteuert, in dem das Ventil 16 über die Route der Treiberschaltung 13 → E/P-Modu1 14 → Steuerrelais 15 → Ventil 16 getrieben wird.

Die typischen Betriebsspezifikationen des Ventilpositionsgebers, der mit der oben beschriebenen Kommunikationsfunktion ausgestattet ist, sind die folgenden: minimale Betriebsspannung zwischen den Anschlüssen: 12 V Gleichspannung (Eingangsanschlüsse T1 und T2) minimaler Betriebsstrom: 3,6 mA.

Das heißt, die digitale Kommunikationsfunktion und die Ventilpositionssteuerung müssen innerhalb des Bereichs von 4 mA funktionieren, der an die Eingangsanschlüsse T1 und T2 geliefert wird. Andererseits ist im Fall der Verwendung eines Mikroprozessors für die Mikrosteuerung 9, auch wenn der Stromverbrauch der elektronischen Vorrichtungen jedes Jahr aufgrund des Fortschritts bei den Energieeinspartechniken sinkt, der Strom des E/P-Moduls 14 weiterhin im Vergleich mit den Schaltungen beschränkt, die keinen Mikroprozessor verwenden. Jedoch ist es, da die meisten E/P-Module 14 strombetätigte Vorrichtungen sind, ein Problem, daß die Verringerung der Stromzuordnung zu dem E/P-Modul 14 die Ventilantwort verschlechtert oder den Stabilitätsrahmen gegenüber Störungen, wie etwa der Temperatur, eliminiert.

Bei dem Mikroprozessor selbst muß der Steuerzyklus für die Steuerberechnung verkürzt werden, indem die Taktfrequenz erhöht wird, um Stabilität bei der Ventilpositionssteuerung zu erzielen. Es ist jedoch auch ein Problem, daß der Stromverbrauch in dem Mikroprozessor selbst unvermeidbar ansteigt, wenn die Taktfrequenz ansteigt.

Um effektiv die Leistung auszunutzen, die einem Ventilpositionsgeber als Betriebssignal zugeführt wird, ist demzufolge als eine Technik in Betracht gezogen worden, um die Stromzufuhr zu den internen Schaltungen, einschließlich dem E/P-Modul 14 zu erzielen, den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 5 zu verwenden, der die Leistungsspannung herunterstuft, wie es in 1 gezeigt ist. Als Verfahren zur Verwirklichung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 5 wurden normalerweise der Ladungspumpentyp mit einem Kondensator oder der Umschaltregulator zum stufenweise Heruntersetzen der Spannung mit einem induktiven Element in Betracht gezogen. Jedoch haben diese Verfahren ein Problem, daß die Herstellungskosten ansteigen, da sie zu einer Erhöhung der Montageoberfläche (mounting surface) und/oder der Anteil der Komponenten führen. Wenn des weiteren der Umschaltregulator zum stufenweise Heruntersetzen der Spannung verwendet wird, können nachteilhafte Effekte bei anderen Schaltungen aufgrund des Umschaltrauschens weitere Probleme erzeugen.

Zusätzlich ist ein Verfahren in dem US-Patent mit der Nr. US 5 431 182 A als weitere Technik zum effektiven Ausnutzen der Leistung, die einem Ventilpositionsgeber als ein Betriebssignal zugeführt wird, offenbart. Dieses Verfahren verbindet zwei Leistungsschaltungen in Reihe zwischen den Eingangsanschlüssen und verwendet eine Leistungsschaltung zum Zuführen der Leistung an die digitalen Schaltungen und eine weitere zum Zuführen der Leistung an andere Schaltungen außer den digitalen Schaltungen. Jedoch wird ein Pegelschiebeschaltung benötigt, um die Differenz zwischen den Leistungssystemen zum Austausch der Signale zwischen den Schaltungen zu absorbieren, die mit den zwei Leistungsschaltungen verbunden sind, und somit hat dieses Verfahren ein Problem, daß die Schaltungen komplex werden. Diese oben beschriebenen Situationen sind bei Strom/Pneumatik-Wandlern ebenfalls gleich.

DE 35 19 709 A1 und DE 40 16 922 C2 zeigen die Verwendung von 4mA-20mA Signalleitungen zur Signalübertragung von z.B. einer Pneumatikeinheit zu einer Steuereinheit. Der Einsatz von Micro-Steuerungen ist in DE 44 12 388 A1 sowie % Christian Eilmes: "Felddbus ja, aber welcher", Mess Tec 3/96 vom 1. Juli 1996 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilpositionsgeber bereitzustellen, bei dem die Anzahl der Bauteile geringer und die Schaltungskonfiguration einfach ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Ventilpositionsgeber nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung des Ventilpositionsgebers nach Anspruch 4 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.

1 zeigt eine Konfigurationszeichnung, die ein Beispiel der bekannten Ventilpositionsgeber zeigt.

2 zeigt eine Konfigurationszeichnung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilpositionsgebers zeigt.

3 ist ein Schaltdiagramm des wesentlichen Teils eines erfindungsgemäßen Ventilpositionsgebers.

4 ist ein Schaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Stromreglers.

5 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das eine Ausführungsform zeigt, bei der die Erfindung auf einen Strom/Pneumatik-Wandler angewendet wird.

6 zeigt eine Konfigurationszeichnung, die eine Ausführungsform zeigt, bei der die Erfindung auf ei nen Ventilpositionsgeber mit einer Prozeßsteuerfunktion angewendet wird.

7 zeigt eine Konfigurationszeichnung, die eine Ausführungsform anzeigt, bei der eine Zeitsteuerungsschaltung auf die Erfindung angewendet wird.

8 zeigt ein Schaltdiagramm, das eine Ausführungsform zeigt, bei der eine Zeitsteuerungsschaltung auf die Erfindung angewendet wird.

9 ist ein Signalverlaufsdiagramm der erfindungsgemäßen Zeitsteuerschaltung.

Die Erfindung wird im Anschluß detailliert anhand der Zeichnungen beschrieben. Die 2 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das eine erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt. In 2 werden die gleichen Symbole jenen Teilen gegeben, die die gleichen Handlungen ausführen, wie jene in 1 gezeigten, die als ein bekanntes Beispiel erläutert wurden, und ihre Beschreibung wird weggelassen, es sei denn, sie wäre speziell erforderlich.

In 2 sind die variable Impedanzschaltung 3 und der Nebenschlußregler 4 in Reihe zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 ähnlich dem bekannten Beispiel geschaltet. Die Impedanzsteuerschaltung 1 steuert die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 auf eine in etwa konstante Spannung, normalerweise 12 V oder weniger. Die Impedanzsteuerschaltung 1 hält auch die Impedanz zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 in einem Niedrigimpedanzzustand in dem Gleichstrombereich der Betriebssignale, und hält die Impedanz bei einem festgelegten hohen Wert in dem Kommunikationsfrequenzband. Der Nebenschlußregler 4 erzeugt die interne Leistungsspannung V2, die die internen Schaltungen treibt.

3 zeigt ein Beispiel der Schaltungen, die die variable Impedanzschaltung 3, den Nebenschlußregler 4 und die Impedanzsteuerschaltung 1 verwirklichen. Der Eingangsanschluß T1 ist mit dem positiven Anschluß eines Differentialverstärkers U1 über eine Parallelschaltung eines Widerstands R2 und eines Kondensators Cl, sowie mit dem Drain-Anschluß eines Sperrschichtfeldeffekttransistors vom n-Kanaltyp (im folgenden als "JFET" Q1 bezeichnet) verbunden, der für die variable Impedanzschaltung 3 verwendet wird. Der Eingangsanschluß T2 ist mit dem positiven Anschluß des Differentialverstärkers U1 über eine Reihenschaltung des Kondensators C2 und eines Widerstandes R3 sowie über ein Ende eines Widerstandes Rin verbunden, der als stromdetektierendes Element 2 verwendet wird. Das andere Ende des Widerstandes Rin ist mit dem positiven Anschluß des Differentialverstärkers U1 über einen Widerstand R1 und auch mit dem gemeinsamen Schaltungspotential (auf dem gemeinsamen Potential) verbunden. Der Source-Anschluß des JFET Q1 vom n-Kanaltyp ist mit einem Ende des Nebenschlußreglers 4 verbunden, dessen anderes Ende mit dem gemeinsamen Schaltungspotential verbunden ist, und der Gate-Anschluß von Q1 ist mit dem Ausgang des Differentialverstärkers U1 über Pegelschiebedioden Dl, D2 und D3 verbunden. Beide Enden einer Reihenschaltung von Widerständen R5 und R6 sind parallel zu dem Nebenschlußregler 4 geschaltet, und der Verbindungspunkt der Widerstände R5 und R6 ist mit dem negativen Anschluß des Differentialverstärkers U1 verbunden. Zusätzlich sind die Gate- und Source-Anschlüsse des JFET Q1 vom n-Kanaltyp mit einem Diodenvorlastwiderstand R7 verbunden, und ein Kondensator C4 ist parallel zu dem Nebenschlußregler 4 geschaltet. Des weiteren ist die Ausgabe der Sende-und-Empfangs-Schaltungen 6, das Tx-Signal, mit dem positiven Anschluß des Differentialverstärkers U1 über einen Kondensator C3 und einen Widerstand R4, die in Reihe geschaltet sind, verbunden. Deshalb stellt in 3 der Ausschnitt mit Ausnahme des JFET Q1 vom n-Kanaltyp, der als variable Impedanzschaltung 3 dient, des Widerstandes Rin, der als stromdetektierendes Element 2 dient, und des Nebenschlußreglers 4, die Impedanzsteuerschaltung 1 in 2 dar.

Die Spannung Vt zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 in dem Gleichstrombereich in einer Schaltung, deren Konfiguration vorangehend beschrieben wurde, wird wie folgt dargestellt: Vt = V1 + Iin × Rin = (1 + R2/R1) × Vr + Iin × Rin wobei Iin der von dem Eingangsanschluß T1 fließende Strom, Vr die an den negativen Anschluß des Differentialverstärkers U1 angelegte Spannung und V1 die durch die variable Impedanzschaltung 3 erzeugte Spannung ist, und wobei die Impedanz zwischen den Anschlüssen T1 und T2 in diesem Bereich niedrig ist.

Zusätzlich wird die Impedanz |Z| zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 in dem Frequenzband flz bis fhz, dem digitalen Kommunikationsband in der Schaltung, deren Konfiguration vorangehend beschrieben wurde, wie folgt dargestellt: |Z| = R2/R3 × Rin flz = 1/(2&pgr; × R3 × C2) fhz = 1/(2&pgr; × R2 × Cl) und die Impedanz in diesem Bereich ist hoch. Jedoch wird als Differentialverstärker U1 ein Verstärker mit hinreichendem Frequenzband verwendet, um die oben beschriebene Steuerung zu verwirklichen.

In diesem Fall sind die Übertragungsamplitude Tx und das Frequenzband fltx bis fhtx der Kommunikationssignale, die von einem entsprechenden Instrument gesendet werden, die folgenden: Tx = R2/R4 × (Tx-Signal) fltx = 1/(2&pgr; × R4 × C3) fhtx = 1/(2&pgr; × R2 × C1)

Zusätzlich sollten von dem Ausgabesignal Tx der Sende-und-Empfangs-Schaltungen 6 Oberschwingungen im voraus mit einer Weichtast- oder Lag-Schaltung erster Ordnung oder ähnlichem entfernt werden, so daß unnötige Oberschwingungen nicht ausgesendet werden.

Bei der Konfigurationszeichnung aus 2 sind beide Enden der Reihenschaltung des Stromreglers 33 und des E/P-Moduls 14 parallel zu der variablen Impedanzschaltung 3 geschaltet, die wie vorangehend ausgebildet ist. Der Stromregler 33 wandelt ein analoges Signal, das von dem DAC 10 ausgegeben wird, in ein Stromsignal und gibt dieses dem E/P-Modul 14 ein.

4 zeigt ein Beispiel der Schaltung, die die Stromregelung 33 verwirklicht. Ein JFET Q10 vom n-Kanaltyp für ein stromvariables Element ist mit seinem Drain-Anschluß mit dem E/P-Modul 14 und mit seinem Source-Anschluß mit der internen Leistungsspannung V2 über einen Widerstand Rf verbunden. Spannungsteilungswiderstände R10 und R11 teilen die Differenzspannung zwischen der internen Leistungsspannung V2 und der analogen Signalausgabe des DAC 10, dem DAC-Signal, und diese geteilte Spannung wird dem positiven Anschluß eines Differentialverstärkers U10 eingegeben. Spannungsteilungswiderstände R13 und R12 teilen die Differenzspannung zwischen der Source-Spannung des JFET Q10 und dem gemeinsamen Schaltungspotential, und diese geteilte Spannung wird dem negativen Anschluß des Differentialverstärkers U10 eingegeben. Der Differentialverstärker U10 sendet ein Steuersignal an den Gate-Anschluß des JFET Q10 über Pegelschiebedioden D10, D11 und D12 und bestimmt den Strom I14, der dem E/P-Modul 14 zugeführt wird, indem der JFET Q10 als variabler Widerstand betrieben wird. Ein Widerstand R14, der zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß des JFET Q10 geschaltet ist, und die Pegelschiebedioden D10, D11 und D12 sind Komponenten zum Treiben des Gates des JFET Q10. Der Widerstand Rf ist der Widerstand zur Detektion des Stroms I14, der dem E/P-Modul 14 zugeführt wird, und der in das E/P-Modul 14 fließende Zufuhrstrom I14 wird wie folgt dargestellt, wenn folgende Beziehungen gelten: R11 = R13 und R10 = R12 I14 = DAC-Signal × (R11/R10)/Rf

Mittels der Schaltung mit dieser Konfiguration wird die Position des Ventils 16 durch die Mikrosteuerung 9 entsprechend den Betriebssignalen gesteuert, die den Eingangsanschlüssen T1 und T2 eingegeben werden. Während der Steuerung ändert sich der Zufuhrstrom I14, der durch das E/P-Modul 14 fließt, dynamisch. Wenn jedoch der durch die variable Impedanzschaltung 3 fließende Strom als I3 dargestellt ist, da die Impedanzschaltung 1 die variable Impedanzschaltung 3 so einstellt, so daß folgende Gleichung gilt. I3 = Iin – I14, um die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 auf einen konstanten Wert zu steuern, können das E/P-Modul und die variable Impedanzschaltung 3 parallel zueinander koexistieren.

Anders gesagt, kann bei dem erfindungsgemäßen Ventilpositionsgeber der für das E/P-Modul 14 benötigte Strom vorzugsweise dem E/P-Modul 14 zugeordnet werden, indem das E/P-Modul mit hohem Stromverbrauch und die variable Impedanzschaltung 3 parallel zueinander koexistent gemacht werden.

5 zeigt die Gesamtkonfigurationszeichnung, die eine Ausführungsform zeigt, bei der die Erfindung auf einen Strom/Pneumatik-Wandler angewendet wird. 5 unterscheidet sich von 2 dahingehend, daß ein Drucksensor 37 anstelle des Positionssensors 12 vorgesehen ist. Der Drucksensor 37 empfängt als Eingabe das pneumatische Signal, das von dem Steuerrelais 15 ausgegeben wird. Solch eine Konfiguration kann direkt auf einen Strom/Pneumatik-Wandler angewendet werden, da das gesteuerte System der Eingangsluftdruck des Ventils 16 ist. In diesem Fall kann derselbe Effekt wie bei den Ventilpositionsgebern auch bei den Strom/Pneumatik-Wandlern erhalten werden.

Des weiteren kann die Erfindung nicht nur auf Ventilpositionsgeber angewendet werden, deren Hauptzweck die Steuerung der Ventilposition ist, sondern auch auf Ventilpositionsgeber mit einer Prozeßsteuerfunktion, wie etwa in dem US-Patent mit der Nr. US 5 684 451 A oder dem US-Patent mit der Nr. US 5 451 923 A offenbart ist. T,

6 zeigt eine Gesamtkonfigurationszeichnung, die eine Ausführungsform zeigt, bei der die Erfindung auf einen Ventilpositionsgeber mit einer Prozeßsteuerfunktion angewendet wird. 6 unterscheidet sich von 2 dahingehend, daß die Mikrosteuerung 9 mit Berechnungsprogrammen für Prozeßsteuerungen ausgestattet ist, und daß der Positionsgeber zusätzlich mit Prozeßeingangsanschlüssen T3 und T4, einem stromdetektierenden Element 40 und einem Stromdetektor 41 ausgestattet ist. Das über die Prozeßeingangsanschlüsse T3 und T4 eingegebene Prozeßsignal wird durch das stromdetektierende Element 40 und den Stromdetektor 41 als Stromsignal detektiert. Dieses Stromsignal wird durch die Mikrosteuerung 9 in deren Berechnungsprogramm für die Prozeßsteuerung über den ADC 8 akquiriert. In einer Systemkonfiguration, wie sie vorangehend beschrieben wurde, kann der durch ein Flußmeßgerät laufende Fluidfluß auf einem Sollwert gehalten werden, der über die Eingangsanschlüsse T1 und T2 eingegeben wird, wobei ein Ventil 16 verwendet wird, und die folgenden Handlungen ausgeführt werden:

Eingeben des Sollwertsignals über die Eingangsanschlüsse T1 und T2, das an eine Prozeßsteuerung zu geben ist, und

Eingeben des Prozeßsignals, z.B. 4 bis 20 mA an die Eingangsanschlüsse T3 und T4,.das von dem Flußmeter ausgegeben wird,.

Zusätzlich kann der hier erhaltene Effekt auch auf Strom/Pneumatik-Wandler mit Prozeßsteuerung angewendet werden.

Des weiteren zeigt 7 eine Ausführungsform, bei der die Anfahrcharakteristik (startup characteristic) bei einem erfindungsgemäßen Ventilpositionsgeber verbessert wird, indem eine Zeitsteuerungsschaltung 50 (timing circuit) zu der Impedanzsteuerschaltung 1 hinzugefügt ist. Ein erfindungsgemäßer Ventilpositionsgeber steuert ein Ventil durch Eingabe eines Betriebssignals, das beispielsweise von einem zentralisierten Überwachungssystem oder einem verteilten Steuersystem (im folgenden als "DCS" bezeichnet) unter Verwendung von Computersystemen an die Eingangsanschlüsse T1 und T2 ausgegeben wird. In dem DCSs werden im allgemeinen das von dem DCS selbst ausgegebene Steuersignal immer überwacht. Wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen für das Betriebssignal, das gegenwärtig von dem DCS selbst ausgegeben wird, beispielsweise einen vorgegebenen festgelegten Wert übersteigt, kann das DCS entscheiden, daß das Phänomen der Unterbrechung (disconnection) der Signalleitung auftritt, die das Betriebssignal sendet, und es kann einen Unterbrechungsalarm veranlassen.

Bei der in 2 gezeigten Schaltung kann beispielsweise, wenn ein Steuersignal, daß dem Eingangsanschluß T1 von einem DCS eingegeben wird, stufenweise von Null ansteigt, das Steuerausgangssignal IU1 von der Impedanzsteuerschaltung 1 vorübergehend zu dem Zeitpunkt abgeschnitten sein, wenn die internen Schaltungen anfahren. Somit kann die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 den Gleichgewichtszustandswert (steady state value) in großem Ausmaß übersteigen. In diesem Fall kann das DCS einen Unterbrechungsalarm ausgeben.

Die Zeitsteuerung 50 ist eine Schaltung, die für den Zweck hinzugefügt ist, dieses Phänomen zu vermeiden. Ein konkretes Beispiel dieser Schaltung ist in 8 gezeigt. 8 zeigt ein Beispiel der Schaltung, bei der die Zeitsteuerungsschaltung 50 einem Beispiel der Schaltung hinzugefügt ist, die die variable Impedanzschaltung 3, den Nebenschlußregler 4 und die Impedanzsteuerschaltung 1 verwirklicht, wie sie in 3 beschrieben ist.

In 8 unterscheidet sich von dem Beispiel, das in 3 gezeigt ist, in dem folgenden Punkt:

Die Ausgabe des Differentialverstärkers U1 wird gezwungen, jenseits der Grenze der positiven Leistungsseite in dem Moment abzulenken, in dem die Schaltungen anfahren, indem eine Verzögerungsschaltung, gebildet aus dem Widerstand R6 und einem Kondensator C50, durch Hinzufügen des Kondensators C50 parallel zu dem Widerstand R6 zu dem negativen Anschluß des Differentialverstärkers U1, gebildet wird.

9 ist ein Signalverlaufsdiagramm für die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 bei einem erfindungsgemäßen Ventilpositionsgeber. In 9 zeigt das Bezugszeichen 61 das Betriebssignal Iin, das stufenweise eingegeben wird, das Bezugszeichen 62 die Spannung zwischen den Anschlüssen des Ventilpositionsgebers ohne die Zeitsteuerungsschaltung 50 und das Bezugszeichen 63 die Spannung zwischen den Anschlüssen mit der Zeitsteuerungsschaltung 50. Wie aus 9 ersichtlich ist, wird durch Hinzufügen der Zeitsteuerungsschaltung 50 zu dem Ventilpositionsgeber der Erfindung ein sanftes Anfahren des Ventilpositionsgebers auch dann möglich, wenn das Betriebssignal stufenweise eingegeben wird. Des weiteren kann der hier erzielte Effekt auch auf die oben beschriebenen Strom/Pneumatik-Wandler und auch auf die Ventilpositionsgeber und die Strom/Pneumatik-Wandler mit einer Prozeßsteuerung angewendet werden.

Nun zeigt die vorangehende Beschreibung spezifischere bevorzugte Ausführungsformen für die Erläuterung und Angabe von erfindungsgemäßen Beispielen. Deshalb ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht durch die vorangehenden Ausführungsformen beschränkt ist, sondern weitere Änderungen und Modifikationen in ihrem Rahmen abdeckt, ohne von ihrem Rahmen abzuweichen. Anders gesagt, die Erfindung kann auf alle Systeme angewendet werden, die mit Strom/Pneumatik-Wandlerelementen ausgestattet sind, die einen Strom als Eingangssignal von außerhalb verwenden, und das Signal als Leistungsquelle für die internen Schaltungen verwenden.

Zusätzlich ist die variable Impedanzschaltung 3 in 3 nicht auf einen JFET vom n-Kanaltyp beschränkt, sondern kann durch andere Vorrichtungen ersetzt werden, die den Stromwert ändern, wie etwa npn- und pnp-Transistoren, MOS-FETs oder elektronische Schaltungen, die durch Kombination dieser Vorrichtungen gebildet sind. Diese Situation ist die gleiche wie bei dem in

4 verwendeten JFET Q10 vom n-Kanaltyp.

In 2 ist, obwohl die variable Impedanzschaltung 3, der Nebenschlußregler 4 und das stromdetektierende Element 2 zwischen den Eingangsanschlüssen T1 und T2 in dieser Reihenfolge von dem Anschluß T1 hin zum Anschluß T2 geschaltet sind, diese Reihenfolge änderbar. D.h., der Zweck der Erfindung kann erreicht werden, wenn alle Stromwerte, die dem Eingangsanschluß T1 eingegeben werden, von dem stromdetektierenden Element 2 detektiert werden können, und die variable Impedanzschaltung 3 parallel zu dem E/P-Modul 14 geschaltet ist.

Zusätzlich zu dem Vorangehenden wird die interne Leistungsspannung V2 zum Antrieb der internen Schaltungen nur durch den Nebenschlußregler 4 in 2 erzeugt. Jedoch ist es auch möglich, eine höhere Stromkapazität aus der internen Leistungsspannung V2 durch Verwenden eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers in ähnlicher Weise wie bei den Beispielen in den bekannten Systemen zu erreichen. Dies erreicht einen höheren Zufuhrstrom für die internen Schaltungen.

Obwohl des weiteren das E/P-Modul 14, das vorangehend beschrieben wurde, von dem Typ ist, der den Eingangsstrom in ein pneumatisches Signal wandelt, können E/P-Module, die andere Prinzipien verwenden, beispielsweise das Prinzip der piezoelektrischen Elemente, die eine Kraft aus einer Spannung erzeugen, verwendet werden.

In diesem Fall wird ein Spannungssignal, und nicht ein Stromsignal, dem E/P-Modul in 3 von dem DAC 10 eingegeben, und der Stromregler 33 wird unnötig. Wenn jedoch die Konfiguration, bei der die variable Impedanzschaltung 3 und das E/P-Modul 14 parallel geschaltet sind, vorliegt, wird dieses System als innerhalb des Rahmens dieser Erfindung liegend betrachtet.

Es ist aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, daß die Erfindung die folgenden Effekte hat:

Bei der mit 2 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird es möglich, einen solchen Ventilpositionsgeber bereitzustellen, wie er unten beschrieben ist. Bei diesem Ventilpositionsgeber ist die Anzahl der Bauteile geringer und die Schaltungskonfiguration einfach, während die Stromzuordnung zu dem E/P-Modul mit hohem Stromverbrauch erhöht ist, und der Positionsgeber kann auch digitale Kommunikationen mit dem entsprechenden Instrument implementieren. Zusätzlich wird erfindungsgemäß der für das E/P-Modul mit hohem Stromverbrauch benötigte Strom durch Änderung der Stromzuordnung in den internen Schaltungen zugeführt, ohne daß ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler verwendet wird, der die Leistungsspannung stufenweise heruntersetzt, oder ohne eine spezifische Leistungsschaltung. Zusätzlich ist die Stromausnutzungseffizienz gut, und somit kann im Ergebnis der Mikrosteuerung ein großer Strom eingegeben werden.

Bei der mit 5 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird es möglich, einen solchen Strom/Pneumatik-Wandler bereitzustellen, wie er unten gezeigt ist. Bei diesem Strom/Pneumatik-Wandler sind die Anzahl der Bauteile geringer und die Schaltungskonfiguration einfacher, während die Stromzuordnung zu dem E/P-Modul mit hohem Stromverbrauch erhöht ist, und der Wandler kann auch digitale Kommunikationen mit dem entsprechenden Instrument implementieren. Zusätzlich wird erfindungsgemäß der für das E/P-Modul mit hohem Stromverbrauch benötigte Strom durch Änderung der Stromzuordnung in den internen Schaltungen zugeführt, ohne einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der die Leistungsspannung stufenweise heruntersetzt, oder eine spezifische Leistungsschaltung zu verwenden. Dementsprechend ist die Stromausnutzungseffizienz gut, und im Ergebnis kann ein großer Strom der Mikrosteuerung gegeben werden.


Anspruch[de]
  1. Ventilpositionsgeber mit

    Sende-und-Empfangs-Schaltungen (6) zum Empfangen eines Steuerungssignals über einen Eingabeanschluss (T1);

    einer Mikro-Steuerung (9) zum Speichern des Steuerungssignals und zum Durchführen einer Positionssteuerung für das Ventil;

    einem D/A-Wandler (10) zum Umwandeln einer Steuerausgabe der Mikro-Steuerung (9) in ein analoges Spannungssignal;

    einem Stromregler (33) zum Umwandeln des von dem D/A-Wandler (10) ausgegebenen analogen Spannungssignals in ein Stromsignal;

    einem Strom/Pneumatik-Wandlermodul (14) zum Umwandeln des vom Stromregler (33) ausgegebenen Stromsignals in ein pneumatisches Signal;

    einem Steuerrelay (15) zur Auf/Zu-Steuerung des Ventils (16);

    einem Positionssensor (12) zum Erfassen der Position des Ventils (16);

    einer Sensor-Schnittstelle (11) für die von dem Positionssensor (12) gelieferte Information;

    einem A/D-Wandler (8) zum Umwandeln eines von der Sensor-Schnittstelle (11) gelieferten Signals in ein digitales Signal, wobei dieses Signal an die Mikro-Steuerung (9) geliefert wird;

    einem Nebenschlussregler (4) zum Erzeugen, beruhend auf einem gegenwärtig über die Anschlüsse (T1, T2) anliegenden Signal, einer internen Versorgungsspannung zum Versorgen der internen Schaltungen; und

    einer Schaltung (3) mit variabler Impedanz, die in Reihe zu dem Nebenschlussregler (4) geschaltet ist;

    wobei

    das Strom/Pneumatik-Wandlermodul (14) und der Stromregler (33) in Reihe zueinander geschaltet sind und

    die Reihenschaltung des Strom/Pneumatik-Wandlermoduls (14) und des Stromreglers (33) parallel zur Schaltung (3) mit veränderbarer Impedanz verbunden ist.
  2. Ventilpositionsgeber nach Anspruch 1, mit einer Impedanzsteuerschaltung (1) zur Steuerung der Impedanz der Schaltung (3) mit variabler Impedanz.
  3. Ventilpositionsgeber nach Anspruch 2, bei dem die Impedanzsteuerschaltung (1) mit einer Zeitsteuerungsschaltung (50) ausgestattet ist, um den Anstieg der Spannung zwischen den Anschlüssen (T1, T2) beim Anfahren zu vermeiden.
  4. Verfahren zur Steuerung eines Ventilpositionsgebers nach Anspruch 1 mit den Schritten:

    Empfangen eines Steuerungssignals;

    Speichern des Steuerungssignals und Durchführen einer Positionssteuerung für ein Ventil mittels einer Mikro-Steuerung (9), wobei die Positionssteuerung die Schritte aufweist:

    Umwandeln einer Steuerausgabe der Mikro-Steuerung (9) in ein analoges Spannungssignal; Umwandeln des analogen Spannungssignals in ein Stromsignal;

    Umwandeln des Stromsignals in ein pneumatisches Signal;

    Auf/Zu-Steuerung des Ventils (16);

    Erfassen der Position des Ventils (16);

    Umwandeln eines von einer Sensor-Schnittstelle (11) gelieferten Signals in ein digitales Signal, wobei dieses Signal an die Mikro-Steuerung (9) geliefert wird;

    wobei, beruhend auf einem gegenwärtig über Anschlüsse (T1, T2) anliegenden Signal, eine interne Versorgungsspannung zum Versorgen der internen Schaltungen erzeugt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Impedanz der Schaltung (3) mit variabler Impedanz so gesteuert wird, dass der Strom, der durch Subtrahieren des Stroms, der zum Treiben des Strom/Pneumatik-Wandlermoduls (14) benötigt wird, von dem Stromsignalwert, der den Anschlüssen (T1, T2) eingegeben wird, erhalten wird, durch die Schaltung (3) mit variabler Impedanz fließt.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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