CH677393A5 - - Google Patents

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CH677393A5
CH677393A5 CH2697/87A CH269787A CH677393A5 CH 677393 A5 CH677393 A5 CH 677393A5 CH 2697/87 A CH2697/87 A CH 2697/87A CH 269787 A CH269787 A CH 269787A CH 677393 A5 CH677393 A5 CH 677393A5
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CH
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pressure
setting element
control unit
pressure setting
setpoint
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CH2697/87A
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Inventor
Yoshihiko Hasegawa
Original Assignee
Tlv Co Ltd
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Description

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CH 677 393 A5
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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckregeleinrichtung. Eine solche Einrichtung dient insbesondere dazu, ausgehend von einem vorgegebenen Druck, dem Primärdruck, einen in der Regel reduzierten Druck, den Sekundärdruck, durch entsprechende Regelung konstant zu halten.
Aus der DE-OS 3 534 393 ist bereits ein Reduzierventil mit einem Membranventil, einer eine Druckeinstellfeder aufweisenden Druckeinstelleinheit, einem Antrieb fur die Druckeinstelleinheit und einer Steuereinheit bekannt, deren Signal den Antrieb steuert, wenn die Abweichung des gemessenen Sekundärdruckes, insbesondere des Istdruckes eines gesteuerten Systems von einem Solldruck einen vorgegebenen Wert überschreitet, um die Druckabweichung auf Null zu bringen.
Dieses bekannte automatische Membranventil eignet sich zum stabilen mechanischen Einstellen eines konstanten Sekundärdruckes, wenn die Druckabweichung des Sekundärdruckes unter einem Referenzwert liegt. Da dieses Ventil jedoch den Sekundärdruck in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen der gemessenen Druckabweichung und einer Referexizabweichung einstellt, dauert es verhältnismässig lange, bis sich der Sekundärdruck auf den Solldruck stabilisiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eîne rasche Regelung des Sekundärdruckes auf einen vorgegebenen Wert bei einer äusserst kleinen Regelabweichung ermöglicht.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemässen Lösung besteht ein enger funktionaler Zusammenhang zwischen dem am Sollwerteinsteller einstellbaren Sollwert und der Stellung des Druckeinstellelementes sowie zwischen dem Druckeinstellelement und dem Sekundärdruck. Daraus ergibt sich, dass jeder Stellung des Druckeinstellelementes ein vorbestimmter Istwert des Sekundärdruckes zugeordnet ist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung spricht äusserst rasch auf Änderungen des Sekundärdruckes an und regelt diesen unverzüglich auf den vorgegebenen Solidruck ein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 kann die jeweilige Stellung des Druckeinstellelementes durch einen Stellungsgeber unmittelbar erfasst und bei der Auswertung der vorgegebenen Abhängigkeit berücksichtigt werden.
Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 3 mit einem Schrittmotor lässt sich das Druckeinstellelement mittels einer errechneten Anzahl von Impulsen exakt in eine vorbestimmte Stellung bringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 4 kann der Istwert des Sekundärdruckes mittels eines Druckfühlers unmittelbar erfasst werden. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere zur Feinsteuerung des Sekundärdruckes geeignet.
Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 5 lässt sich die in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert ermittelte Stellung des Druckeinstellelementes speichern.
Die erfindungsgemässe Einrichtung verbindet die Vorteile eines mechanischen Druckregelventils, welches in seiner Art einem bekannten Druckreduzierventil entsprechen kann, mit derjenigen einer mit einem Sollwerteinsteller verbundenen Steuereinheit.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Druckregelventil, insbesondere dessen mechanische Regelelemente, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 ein Diagramm der Zuordnung zwischen der Schraubenlage des Druckeinstellelementes und dem Istdruck,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Druckregeleinrichtung mit einem Druckfühler,
Fig. 4 ein Blockdiagramm wie in Fig. 3, jedoch mit einem Stellungsgeber für das Druckeinstellelement, und
Fig. 5 ein Blockdiagramm wie in Fig. 4, jedoch ohne einen Druckfühler.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Druckregelventil 1 ist eine Druckeinstellfeder 2 zwischen je einem Federsitz 3 und 6 angeordnet und wirkt einerseits über den Federsitz 3 auf eine Membran 4 und andererseits über den Federsitz 6 und eine Kugel 7 auf eine als Druckeinstellelement dienende Druckeinstellschraube 8. In einer Druckkammer 5 unterhalb der Membran 4 herrscht der zu regelnde, auch als Sekundärdruck bezeichnete Druck. Die Stellung der Membran 4 stellt sich in Abhängigkeit vom Druckgleichgewicht zwischen der Druckeinstellfeder 2 einerseits und dem in der Druckkammer 5 herrschenden Sekundärdruck andererseits ein. Da die Funktion der Membran 4 hinsichtlich des Sekundärdrucks hinreichend bekannt ist, erübrigt sich hier eine ins einzelne gehende Erläuterung.
Die Druckeinstellschraube 8 greift mit ihrem Aussengewinde 9 am unteren Ende in ein ortsfestes Gewindestück 10 mit einem Innengewinde in dessen Zentrum. Des weiteren weist die Druckeinstellschraube 8 im oberen Teil eine axiale Bohrung auf, in der eine Haltehülse 11 mit Haltekugeln 12 angeordnet ist. In die axiale Bohrung der Druckeinstellschraube 8 und die Haltehülse 11 greift zwischen den Haltekugeln 12 liegend eine Keilwelle 13 ein, deren anderes Ende über ein Untersetzungsgetriebe 14 mit der Antriebswelle eines Motors 15 verbunden ist.
Da die Druckeinstellschraube 8 mit ihrem Aussengewinde 9 in das Innengewinde 10 des ortsfesten Gewindestückes eingreift, dreht sie sich mit der Keilwelle 13 und bewegt sich abwärts, wenn sich die Antriebswelle des Motors 15 in der einen Richtung dreht, und drückt die Druckeinstellfeder 2 über den Federsitz 6 zusammen, um auf diese Weise den eingestellten Druck zu erhöhen. Dreht sich hingegen die Antriebswelle des Motors 15 in der entgegengesetzten Richtung, dann dreht sich auch die Druckeinstellschraube 8 in entgegengesetzter Richtung und bewegt sich nach oben, so dass die
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Druckeinstellfeder 2 entlastet und der eingestellte Druck verringert wird.
Der Weg, um den sich das untere Ende der Druckeinstellschraube 8 aus einer vorgegebenen Referenzstellung, nachfolgend als Ausgangsstellung bezeichnet, bewegt, in der sich bei nicht zusammengedrückter Feder 2 das untere Ende der Schraube über der Kugel 7 in Berührung mit dem Federsitz 6 befindet, ist proportional der Federkompression, wie sich das aus Fig. 2 ergibt, und demge-mäss auch dem sekundärseitigen Istdruck. Die Erfindung benutzt diesen Zusammenhang zwischen dem Weg der Schraubenspitze und dem Istdruck,
Die in der Fig. 3 dargestellte Druckregeleinrichtung weist einen geschlossenen Regelkreis auf. Dabei wird der zu regelnde Druck durch einen Druckfühler 54 erfasst und mittels eines Signalwandlers 55 in ein Signal umgeformt, welches als Istwert einer Steuereinheit 56 zugeführt wird. Diese vergleicht den Istwert mit dem an einem Sollwerteinsteller 58 eingestellten Sollwert und gibt an das Stellglied, dem Antrieb 52 eines Druckreglers 50, ein Steuersignal ab, um durch Verstellung der zur Fig. 1 erläuterten Druckeinstellschraube einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert entgegenzuwirken.
Der Druckregler 50 ist mit dem Druckregelventil 1 zum Vorregeln des Druckes gekoppelt. Der Antrieb 52 enthält den Motor 15, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Schrittmotor ist. Mittels des Untersetzungsgetriebes 14 dient der Motor 15 zum Verstellen des Druckreglers 50, um die Druckeinstellschraube 8 gemäss Fig. 1 voreinzustellen.
Der Signalwandler 55 liefert ein dem Istwert des geregelten Druckes entsprechendes digitales Signal an einen in der Steuereinheit 56 angeordneten, zum Rechnen und Speichern geeigneten Computer. Dieser speichert die Daten der vorgegebenen Abhängigkeit zwischen der Stellung der Druckeinstellschraube 8 und dem Istwert.
In Abhängigkeit von dem am Sollwerteinsteller 58 eingestellten Sollwert und der zuvor gespeicherten Daten der Ausgangsstellung der Druckeinstellschraube 8 errechnet der Computer die diesem Sollwert zugeordnete Stellung der Druckeinstellschraube 8. Dieser errechneten Sollstellung bzw. Sollage entsprechend liefert die Steuereinheit 56 ein Impulssignal an den Antrieb 52, um den Druckregler 50 zu verstellen und dabei die Druckeinstellschraube 8 in die rechnerisch ermittelte Sollage zu bringen. Dementsprechend stellt sich der Sekundärdruck augenblicklich auf den Solldruck ein. Der Drehwinkel der Antriebswelle des Schrittmotors 15 ist proportional der Impulszahl des Signals, so dass die Lage der Druckeinstellschraube 8 der Impulszahl des Signals enspricht.
Der Druckfühler 54 ermittelt fortlaufend oder auch periodisch den Sekundärdruck, während in gleicher Weise der Signalwandler 55 digitale Signale an die Steuereinheit 56 übermittelt. Das Rechenglied der Steuereinheit 56 vergleicht den Istdruck mit dem Solldruck. So lange sich die Differenz zwischen dem sekundärseitigen Istdruck und dem Solldruck innerhalb vorgegebener Grenzen bewegt, gibt die Steuereinheit kein Signal zum Einschalten des Antriebs 52. Übersteigt die Abweichung des sekundärseitigen Istdrucks jedoch den Solldruck über einen vorgegebenen Grenzwert hinaus, ermittelt das Rechenglied den Korrekturabstand, um den sich die Druckeinstellschraube 8 zum Ausgleich der ermittelten Abweichung bewegen muss. Es gibt auf der Basis der Differenz zwischen dem sekundärseitigen Istdruck und dem Solldruck sowie den gespeicherten Daten bezüglich der Ausgangslage der Druckeinstellschraube 8 ein Steuersignal ab, das dem rechnerisch ermittelten Korrekturabstand für die Sekundärdruckkorrektur entspricht, um die Antriebseinheit zum Einstellen der Druckeinstellschraube 8 zum Feineinstellen des Sekundärdrucks einzuschalten.
Beträgt beispielsweise der Solldruck 5 bar und die maximale Abweichung ± 0,1 bar bei einem gemessenen Sekundärdruck von 4,5 bar, dann errechnet das Rechenglied den der Druckabweichung von 0,5 bar entsprechenden Korrekturabstand der Schraubenspitze auf der Basis der zur Ausgangslage der Einstellschraube gespeicherten Daten, um alsdann die Einstellschraube 8 entsprechend einzustellen.
Um eine bessere Druckkontrolle zu erreichen, werden im Rechner die der funktionalen Beziehung zwischen dem Solldruck und der Ausgangslage der Schraube entsprechenden digitalen Daten, beispielsweise eine vorgegebene Beziehung zwischen Solldruck und der Ausgangslage entsprechend Solldruckintervallen von 1 bar und den entsprechenden Schraubenlagen abgespeichert sowie die Steuer- und Korrekturschritte auf der Basis der digitalen Daten entsprechend der vorgegebenen Beziehung durchgeführt. Im Falle einer Korrektur werden die der vorherigen Ausgangslage der Schraube entsprechenden digitalen Daten durch die der neuen Ausgangslage entsprechenden korrigierten Daten ersetzt, um den Speicher zu aktualisieren.
Entsprechen beispielsweise die im Speicherglied gespeicherten Schraubenlagen S4 und S5 sekundärseitigen Solldrücken von 4 bzw. 5 bar, dann bewegt der Motor die Druckeinstellschraube 8 bei einem am Ventil eingestellten Solldruck von 5 bar in die Schraubenlagen S5. Beträgt die maximale Abweichung ± 0,1 bar, verharrt der Motor so lange in Ruhe, wie die Abweichung des sekundärseitigen Istdrucks innerhalb der beiden Grenzwerte verbleibt.
Im Falle eines Solldrucks von 5 bar, einer maximalen Abweichung von ± 0,1 bar und eines sekundärseitigen Istdrucks von 4,5 bar errechnet das Rechenglied die der Istdruckabweichung entsprechende Änderung der Schraubenlage A S zu 5,0-4,5 = 0,5 bar entsprechend der Gleichung:
S = (S5-S4) x 0,5/(5-4).
Alsdann bewegt der Motor die Druckeinstellschraube entsprechend der rechnerisch ermittelten notwendigen Änderung der Schraubenlage von S, um den Sekundärdruck von 4,5 bar auf 5,0 zu erhöhen. Im Speicherglied wird dann die ursprünglich gespeicherte Schraubenlage S5 durch die neue Ausgangslage S5 + A S ersetzt.
Wird derselbe Solldruck in die Steuereinheit ge5
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geben, um den Ventildruck auf denselben Solldruck einzustellen, nachdem die Druckeinstellschraube 8 sich aus ihrer Ausgangslage herausbewegt hat, um den Solldruck zu ändern, errechnet das Rechenglied die richtige Schraubenlage, um den Sekundäraruck augenblicklich auf den Solldruck einzustellen.
Wenn auf diese Weise das Drucksteuersystem des automatischen Druckregelventils eingestellt Ist, liefert das Drucksteuersystem selbst dann ideale Steuerdaten, wenn sich die Arbeitsbedingungen des Ventils geändert haben, so daß das Ventil mit hoher Ansprechgeschwindigkeit arbeitet.
Prinzipiell ist das sich aus den Fig. 4 und 5 ergebende Ausfuhrungsbetspiei hinsichtlich Konstruktion und Funktion ähnlich dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel; es besitzt jedoch ein Drehpotentiometer 20 zur Überwachung der Lage der Druckeinstellschraube 8 und einen Reversiermotor anstelle eines Schrittmotors als Antrieb für die Druckeinstellschraube 8.
Nach Fig. 4 besitzt dieses Ausführungsbeispiel ein Druckregelventil 1, einen Druckregler 50, einen Antrieb 52, einen Druckfühler 54, einen Signalwandler 55, eine Steuereinheit 56, einen Sollwerteinsteller 58, ein Untersetzungsgetriebe 14 und das Drehpotentiometer 20.
Nach der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 steht das Drehpotentiometer 20 in Wirkverbindung mit einem der nicht dargestellten Zahnräder des Untersetzungsgetriebes 14. Die Ausgangsspannung des Potentiometers 20 ist proportional dem Abstand der Druckeinstellschraube 8 von der Referenzbzw. Ausgangslage, d.h. einer Lage, bei der die Schraube in Berührung mit der Druckeinstellfeder 2 steht, ohne diese jedoch zusammenzudrücken. Demgemäß gibt die Ausgangsspannung des Drehpotentiometers 20 die aktuelle Schraubenlage wieder und entspricht daher dem Sekundärdruck, d.h. dem überwachten Istdruck. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die funktionale Beziehung zwischen der Ausgangslage der Schrauben entsprechend der Ausgangsspannung des Drehpotentiome-ters 20 und dem Sekundärdruck im Rechner gespeichert.
An die Stelle des Drehpotentiometers 20 kann ein lineares Potentiometer oder ein Differenzialtrans-formator treten. Bei Verwendung eines Linearpotentiometers ist dessen Stellarm so angeordnet, dass er sich zusammen mit der Druckeinstellschraube 8 linear bewegt. Im Falle eines Differenzialtrans-formators ist dessen Kern so angeordnet, dass er sich zusammen mit der Druckeinstelischraube 8 linear bewegt.
Die Steuereinheit 56 gibt kontinuierlich ein Signal an den Antrieb 52 ab, bis das Ausgangssignal des Drehpotentiometers 20, d.h. das die aktuelle Lage der Einstellschraube 8 anzeigende Signal mit dem vom Sollwerteinsteller 58 an die Steuereinheit 56 abgegebenen Signal übereinstimmt. Da die weiteren Funktionen denen des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 entspricht, erübrigt sich eine weitergehende Beschreibung.
Im Unterschied zu den Druck-Regeleinrichtungen nach den Fig. 3 und 4 weist die Ausführung nach Fig. 5 keinen Druckfühler und damit keinen geschlossenen Druck-Regelkreis auf.
Nach der Fig. 5 wird einer Steuereinheit 70 die von einem Stellungsgeber 20 in Form eines Drehpotentiometers erfasste Stellung der Druckeinstelischraube 8 (Fig. 1) in Form eines Signals zugeführt. Die Steuereinheit 70 vergleicht den an einem Sollwerteinsteller 72 eingestellten Einstellwert mit der Stellung der Druckeinstelischraube 8 und steuert den Antrieb 52, bis das vom Stellungsgeber 20 gelieferte Signal mit dem Signal des Einstellwertes übereinstimmt.
Antrieb 52, Getriebe 14, Druckregler 50, Druckregelventil 1 und Stellungsgeber 20 entsprechen der Ausführung nach Fig. 4. Der Sollwerteinsteller 72 enthält keinen Rechner. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für eine besonders einfache Überwachung des Sekundärdrucks auf der Basis der Abhängigkeit des Sekundärdrucks von der Stellung der Druckeinstelischraube 8. Die Einrichtung mit der Steuereinheit 70 entspricht einer Führungssteuerung, indem die Druckeinstelischraube 8 in eine am Sollwerteinsteller 72 vorgewählte Stellung gebracht wird, welche Stellung in Abhängigkeit von der Charakteristik des Druckregelventils 1 einen bestimmten Druck ergibt.
Anstelle des über das Untersetzungsgetriebe 14 mit der Druckeinstelischraube 8 gekoppelten Drehpotentiometers 20 kann auch ein Linearpotentiometer oder ein Differentiältransformator verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche
1. Druckregeleinrichtung, gekennzeichnet durch -ein Druckregelventil (1);
- einen mit dem Druckregelventil (1) gekoppelten Druckregler (50) zum Vorregeln des vom Druckre-geiventil (1) zu regelnden Druckes mittels der Stellung eines Druckeinstellelementes (8);
- einen Sollwerteinsteller (58, 72) zum Einstellen eines Sollwertes;
- einen Antrieb (52) zum Antreiben des Druckreglers (50), um das Druckeinstellelement (8) voreinzustellen; und
- eine Steuereinheit (56, 70) zum Steuern des Antriebes (52) in Abhängigkeit von dem am Sollwerteinsteller (58, 72) eingestellten Sollwert einerseits und andererseits von einer vorgegebenen Abhängigkeit zwischen der Stellung des Druckeinstellelementes (8) und des sich ergebenden Istwertes des Druckes, um das Druckeinstellelement (8) zur Regelung des Istwertes des geregelten Druckes zu verstellen.
2. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (56) folgende Elemente aufweist,
- ein Speicherglied zum Speichern der Daten der vorgegebenen Abhängigkeit zwischen der Stellung des Druckeinstellelementes (8) und dem Istwert des geregelten Druckes und
- ein Rechenglied zum Berechnen einer Stellung des Druckeinstellelementes (8) in Abhängigkeit von den am Sollwerteinsteller (58) eingestellten Sollwert einerseits und andererseits von den gespeicherten Daten;
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dass die Steuereinheit (56) mit einem mît dem Druckeinstellelement (8) gekoppelten Stellungsgeber (20) verbunden ist, um für die Steuereinheit (56) die Stellung des Druckeinstellelementes (8) zu erfassen;
und dass die Steuereinheit (56) dazu eingerichtet ist, den Antrieb (52) zu steuern, bis das vom Stellungsgeber (20) gelieferte Signal der errechneten Stellung des Druckeinstellelementes (8) entspricht.
3. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (56) einen Computer zum Speichern der Daten der vorgegebenen Abhängigkeit zwischen der Stellung des Druckeinstellelementes (8) und dem Istwert des geregelten Druckes aufweist, dass der Antrieb (52) einen Schrittmotor aufweist, dass das Rechenglied dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem am Sollwerteinsteller (58) eingestellten Sollwert ein Impulssigna! zu errechnen, dessen Impulszahl einer Sollstellung des Druckeinstellelementes (8) entspricht, und dieses Impulssignal an den Schrittmotor abzugeben, um die Abweichung des Druck-Istwertes vom Sollwert durch entsprechende Regelung zu verkleinern.
4. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Druckfühler (54) zum Erfassen des Istwertes, dessen Signal kontinuierlich oder periodisch mit dem Sollwert verglichen wird, um die Abweichung des Istwertes vom Sollwert zu ermitteln, wobei das Rechenglied im Falle einer signifikanten Abweichung des Istwertes vom Sollwert in Abhängigkeit von den gespeicherten Daten einen Korrekturabstand errechnet, über den das Druckeinstellelement (8) aus seiner jeweiligen Stellung bewegt wird, um die Abweichung des Druck-Ist-wertes vom Sollwert zu verkleinern.
5. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (56) dazu eingerichtet ist, die in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Signal des Druck-Istwertes und demjenigen des Sollwertes bestimmte Stellung des Druckeinstellelementes (8) im Speicherglied als neue Exaktstellung des Druckeinstellelementes (8) zu speichern.
6. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) mit einem mit dem Druckeinstellelement (8) gekoppelten Stellungsgeber (20) verbunden ist, um für die Steuereinheit (70) die Stellung des Druckeinsteliele-mentes (8) zu erfassen; und dass die Steuereinheit (70) dazu eingerichtet ist, den Antrieb (52) zu steuern, bis das vom Stellungsgeber (20) gelieferte Signal mit dem Einstellwert des Sollwerteinstellers (72) übereinstimmt.
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