DD213976A1 - Thermischer stellantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erf.betrifft einen Stellantrieb,d.als Stellglied in elek.Steuer-u.Regeleinrichtungen fuer elek.oder nichtelektrische Steuer-u.Regelgroessen einsetzbar ist.Durch d.Erfind.soll ein proportional dem eingepraegten Steuersignal arbeitender, quasi-stetiger Stellantrieb geschaffen werden, der einfach aufgebaut und billig herzustellen ist und dabei im wesentlichen auf praxiserprobte Bauelemente zurueckgreift, wie sie etwa dehnstoffgefuellte Stellmotoren darstellen. Am Arbeitskolben eines solchen Stellmotors ist eine Fotodiode angebracht, die von einem in einer Leuchtdiodenreihe erzeugten Leuchtband beeinflusst wird ueber einen Schwellwertschalter eine Heizung des Stellmotors schaltet. Die Laenge des Leuchtbandes haengt dabei von einem vorgegebenen oder gemessenen Steuersignal ab, das in einer elektrischen Steuereinheit verarbeitet und der Leuchtdiodenreihe ueber eine Ansteuerschaltung zugefuehrt wird.

Description

Thermischer Stellantrieb

Anwendungsgebiet, der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen thermischen Stellantrieb mit einem Arbeitselement, das. aus einem mit einem wärmeempfindliehen Dehnstoff gefüllten Gehäuse und einem Arbeitskolben besteht, dessen Stellung von der Temperatur des Dehnstoffes abhängt, und mit einer in einem Heizstromkreis gelegenen elektrischen Heizvorrichtung, mit deren Hilfe das Arbeitselement beheizbar und damit der Arbeitskolben unter der Wirkung, einer Rückstellfeder verschiebbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Stellantriebe der bezeichneten Art sind seit langem, beispielsweise, für die Betätigung von Regelventilen in der Heizungstechnik, bekannt. Die Steuerung der Stellantriebe selbst erfolgt dabei, abhängig: vom Terwendungszweck, in sehr unterschiedlicher Weise.

Für- die Anwendung bei einer Zweipunktregelung,, wie. sie in US-PS 32 66 235 beschrieben ist, genügt es beispielsweise, wenn ein - gegebenenfalls verstellbarer - ortsfester Endlagenschalter in den Heizstromkreis gelegt ist, der in irgendeiner Form vom Arbeitskolben durch dessen vom beheizten Dehnstoff erzwungenen Ste.llweg: geschaltet wird. In vie-

len Anwendungsfällen ist aber eine reine Zweipunktregelung nicht ausreichend.

Sinev derartige Anordnung kann auch gemäß. DD-PS 93 467 als Proportionalverstärker arbeiten, wenn die Stellung des Endlagenschalters variabel ist und von einem aufgeprägten Wegsignal abhängt. In diesem Fall können aber elektrische· Signale nicht ohne Umformung; in Wegsignale zur Steuerung der Stellung des Arbeitskolbens herangezogen werden.

Es ist auch bereits bekannt, Stellantriebe, der eingangs beschriebenen Form so. anzugeben, daß sie eine stetige Steilbewegung des Arbeltskolbens zulassen.

1.5 Ih DE-AS; t9 35 187 ist ..ein Stellantrieb für die stetige herstellung, eines Heizungsventils in Abhängigkeit von der Raumtemperatur beschrieben, bei dem die Temperatur des Dehnstoffes.im Gehäuse selbst gemessen wird und dem elektrischen Regler für die Raumtemperatur als Rückführgröße

2.0 aufgeschaltet wird. Der dafür erforderliche Temperaturfühler ist. dabei als Thermistor· ausgeführt und in einen Zweig; einer elektrischen Brückenschaltung gelegt, in der sich außerdem sowohl ein weiterer Temperaturfühler für die eigentliche Regelgröße- - die Raumtemperatur -, als auch ein Sollwertsteller für diese Regelgröße befinden. Der Thermistor und die, von ihm gesteuerte elektrische. Heizvorrichtung befinden sich innerhalb des Gehäuses im Dehnstoff des Stellantriebes,

Eine solche Anordnung hat mehrere Nachteile. Einmal sind Arbeitselemente- für derartige. Stellantriebe, oft, so klein, daß 'die Unterbringung der Heizvorrichtung und des Thermistors innerhalb des Gehäuses nur mit großer Schwierigkeit möglich ist. oder andererseits eine ungerechtfertigte 7er- ^größerung des^,Stellantriebes ,nach ,sieh.zieht. Ferner sind für die Stromzuführungen in das. innere des. Gehäuses Durchführungen erforderlich, die einwandfrei abgedichtet sein müssen und den gegebenenfalls hohen Dehnstoff-Drücken standzuhalten haben. Außerdem ist unter Umständen die

40. Kennlinie, des Thermistors zu line ari si er en. Damit ergibt

sich ein Aufwand, wie es? für die Massenfertigung derartiger Stellantriebe unvorteilhaft ist.

Gemäß· US-PS: 32- 13 GöG, Insbesondere Fig. 5, Ist es auch 5" bekannt, den Arbeitskolben als Teil eines Potentiometers auszuführen und auf diese Weise seine Stellung; von einem aufgeprägten elektrischen Sollwert abhängig zu machen; eine- derartige Rückführung erlaubt ebenfalls eine stetige Terstellung des Arbeitskolbens in Abhängigkeit von einer Regelgröße. Die Anordnung ist jedoch kompliziert und teuer.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, einen. Stellantrieb so auszubilden, daß er bei nur geringem Aufwand in großen Stückzahlen herstellbar und universell, einsetzbar ist und bei dem einem elektrischen Eingangssignal ein proportionaler Stellweg des. Arbeltskolbens entspricht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus,, daß es in den 2.5 meisten praktischen Anwendungsfällen vor -allem in der Heizungstechnik genügt, den Stellantrieb quasistetig auszuführen und trotz Verwendung diskreter- elektrischer Signale für die Steuerung des Arbeitskolbens dessen Stellung den Anforderungen eines aufgeprägten Regel- oder Steuerungsbefehls anzupassen.

Demgemäß hat. sich die Erfindung die Aufgabe gestellt,, die. Fachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und einen Stellantrieb der geschilderten Art so zu gestalten, daß die Torteile einer billigen Zweipunktregelung, mit denen einer proportionalen Regelung verbtsnden werden, Indem der Arbeitskolben eine beliebige Zahl von diskreten Stellungen einzunehmen vermag;. Dabei sollen alle S:teueroperationen elektrisch ausgeführt werden, wobei der- Stellantrieb sowohl in einem Regelkreis für beliebige Regelgrößen gelegen als auch

(EeIl einer Steuerung sein kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Arbeit.skolban. ein opto-elektriseher Seßwandler, z.B. eine: Fotodiode, fest verbunden ist, der von einer ortsfe.- . sten Lichtquelle beeinflußt wird und über einen Schwell-" we.rts ehalt er die. Heizvorrichtung für das Arbeitselement; schaltet. Dabei wird die Lichtquelle zv/eckmäßigerweise von einer Leuchtdiodenreihe: gebildet, die: durch eine Ansteuer-

TO schaltung so gesteuert wird, daß. ein bewegliches Leuchtband entsteht, dessen Länge proportional einem von einer elektrischen Steuereinheit: an die. ^steuerschaltung gelieferten elektrischen Signal ist. Für den Fall, daß, das gleiche elektrische. Signal die: gegenläufige Bewegung; des Arbeitskolbens veranlassen soll, ist es vorteilhaft, wenn das Signal aus der Steuereinheit über eine invertierende Schaltung in die; ^steuerschaltung gelangt;.

Durch die Erfindung wird.die Aufgabe in überraschend eln-2.0 fächer Weise gelöst. Obwohl auf eine Temperaturmessung im Gehäuse des Stellantriebs verzichtet wurde, konnte doch eine einwandfreie, quasi-stetige Nachlaufregelung ohne die. Terwendung mechanischer Bauelemente hergestellt werden. Die Feinheit, mit der der Stellw.eg- des Arbeitskolbens in dis-25" kretei Stellungen zerlegt wird, ist relativ variabel und kann den Jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden. Da. der Leistungsbedarf für die. verwendete Lichtquelle sehr klein ist, kommt man mit unverstärkten, von Meßwertgebern gelieferten oder willkürlich vorgegebenen elektrischen Signalen aus, so daß die eingesetzten Steueranordnungen mit Hilfe elektronischer Schaltungen realisierbar sind.

Ausführungsbeispiel .35 .

Die Erfindung wird nachfolgend an Fand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Darstellung in der Zeichnung ist stark schematisiert,

40. Der thermische; Stellantrieb besteht zunächst im wesentli-

chen aus einem ortsfesten Gehäuse 1, dsa in bekannter Weise mit einem wärme empfindlichen Dehnstoff wie Wachs o. dgl. gefüllt ist. Die Tolumenänderung. des Dehnstoffes bei Wärmeeinfluß sorgt für die temperaturabhängige Bewegung eines Arbeitskolbens 2; die Einzelheiten dazu, beispielsweise die Abdichtung des Arbeitskolbens 2 gegen den Dehnstoff, sind, dem Fachmann geläufig and in dej? Zeichnung daher weggelassen. Eine, einerseits den Arbeitskolben 2 belastende, andererseits an einem Anschlag 3 ortsfeste Rückstellfeder 4 1.0 sorgt- dafür, daß der Arbe its kolben 2 beständig in der Richtung auf das Gehäuse t belastet ist.

Mit Hilfe, einer in einem Heizet romkreis 5 gelegenen Heizvorrichtung· 6 wird das- Gehäuse. T beheizt, wenn im HeIz-

1.5 Stromkreis 5 elektrischer- Strom fließt. Die. Ausgestaltung der Heizvorrichtung β 1st in weiten Grenzen beliebig;, die dargestellte Widerstandserwärmung mittels einer Heizwendel ist aber naheliegend. Der Heizstromkreis 5 wird von einem Schwellwertschalter 7 geöffnet: oder geschlossen, der sei-

2.0 nerselts von einem opto-elektrischen Meßwandler 8 betätigt wird. Als Meßwandler S kann beispielsweise eine: Fotodiode verwendet werden. Der Meßwandler S ist am Arbeitskolhen 'Z-starr befestigt..

Sine von einer Leuchtdiodenrelhe 9 gebildete, ortsfeste Lichtquelle Ist so angebracht, daß. sie. dem Meßwandler- S gegenüberliegt- und in Ihm ein elektrisches Signal he:rvorzurufen vermag; Ihre Höhe und damit die: Anzahl Ihrer Leuchtdioden ergibt sich aus dem gewünschten möglichen Stellweg

des Arbeitskolbens 2. '

Mit Hilfe einer Ansteuerschaltung TG wird die Leuchtdiodenreihe 9 so geschaltet, daß durch, die einzelnen Leuchtdioden ein Lichtband entsteht, dessen Länge variieren kann; sie ist der. Eingangsspannung In die Ansteuerschaltung TO proportional. Diese Singangsspannung wird von einer Steuereinheit 1.1. geliefert, die Ihrerseits entweder als Regler ausgebildet ist. und durch Vergleich einer elektrisch gemessenen Regelgröße mit. einem Sollwert, die Eingangsspannmig: In die Ansteuierschaltung 10 liefert oder als, beispielsweise

auch programmierbares, Steuergerät für diese Eingangsspannung' betrieben werden kann. Zwischen der Ansteuerschaltung; 10 und der Steuereinheit Tl kann eine, invertierende Schaltung 12 vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Stellantriebes ist folgende.

Es sei angenommen, daß das. Leuchtband durch die^ Ansteuer-

TO schaltung TO so ausgebildet wird, daß es in dar Le.uchtdiodenreihe S nach oben zunimmt-. Wenn nun der MeSwandler 8 vom leuchtband erreicht wird und beleuchtet wird, schaltet er- über den Schwellwertschalter 7 die Heizvorrichtung 6. ein. Der durch die- nachfolgende Erwärmung expandierende Dehnstoff im Gehäuse T treibt den Arbeitskolben 2. aus dem Gehäuse so lange., bis der Ließwandler in den nicht-leuchtenden leil der Leuchtdiodenreihe; 9 gelangt; dann unterbricht der Meßwandler S über den Schwellwertschalter 7 den- EeIzstromkreis 5 und. schaltet die Heizvorrichtung S ab. Unter Abkühlung des Dehnstoff^ im Gehäuse 1 erfolgt eins Rückbewegung. de.a Arbeitskolbens 2., der damit eine Schwingung geringer Amplitude und geringer Frequenz-um eine Stellung ausführt, die durch das bewegliche. Ende des Leuchtbandes in der Leuchtdiodenreihe 9 bestimmt ist. Da, wie bereits geschildert, die.:Länge; des Leuchtbandes von der; von der Steuereinheit 1T gelieferten Eingangs spannung der Ansteuerschaltung; TO bestimmt, wird, kann damit der/ Stellweg des Arbeitskolbens 2 dieser Spannung stets proportional folgen»

Die S'tufung. des in.diskreten Schritten bewirkten Stellweges des- Arbeitskolbens 2. kann durch Easkadie:rung der Ansteuerschaltung; TO and Tariierüng der Anzahl der Leuchtdioden in der Leuchtdiodenreihe 9 i^. weiten Grenzen gewählt werden. Durch das; Einfügen der invertierenden Schaltung 12 in den #§• ^0^1*!^^ -l-Q-i^n-d'. =§sr Steuereinheit Tt kann bei vorgegebener Orientierung des Mngangssignals äer Steuereinheit TT die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 2 tange-kehrt, werden.

Der Dehnstoff im Gehäuse T wird zweckmäßig so gewählt, daß.

slch der gesamte Stellweg des Arbeitskolbens 2- in einem kleinen Temperaturintervall vollzieht, dessen Lage wie auch die Bemessung, der Heizleistung der· Heizvorrichtung¹ G. unter Beachtung der Umgebungstemperatur des Stellantriebes und der gewünschten Stellgeschwindigkeit festzulegen ist. Die Ans teuer schaltung 1.Q kann durch einen integrierten Schaltkreis gebildet werden.

Es ist zweckmäßig., daß - wie auf dem Fachgebiet bekannt TQ und geläufig - für den Stellmotor eine Überlastsicherung vorgesehen ist in der Weise, daß. das Arbeitselement in seiner Ruhelage unter der Wirkung einer ilb.erlastfe.der ge^- halten wird und bei Überlastung gegen deren Wirkung verschoben wird; es ist allerdings zu empfehlen, den Über-1-5 lastweg klein zu halten und an seinem Ende durch einen dabei betätigten Shdlagensehalter den Heizstromkreis 5 abzuschalten.

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die erste. Leuchtdiode; der- Leuchtdiodenreihe 9 nicht ab.-schaltbar ist, so daß das. Arbeitselement ständig betriebsbereit, ist.

Claims (3)

Erfindungsanspruch

1. !Eiermischer Stellantrieb mit einem Arbeit se lenient, das aus einem mit einem wärmeempfindlicheη Dehnstoff gefüll-• ten Gehäuse- und einem Arbeitskolben besteht, dessen Stellung; von der Temperatur das Dehnstoffes abhängt, und. · mit" einer in einem Heizstromkreis gelegenen elektrischen Heizvorrichtung, mit deren Hilfe das Arbeitselement be-TO heizbar und damit der Arbeitskolben unter der Wirkung einer Rückstellfeder verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß.: mit dem .Arbeitskolben (2) ein opto-eiektrischer Meßwandler (8), z.B. eine, fotodiode, fest verbunden ist, der von einer· ortsfesten lichtquelle beein.-flußt wird und über einen Schwellwertschalter C7) die; Heizvorrichtung (6) für das- Arbeitselement schaltet.

Z, -Thermischer Stellantrieb nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die.

Lichtquelle von einer Leuchtdiodenreihe (9) gebildet wird, die. durch eine Ansteuerschaltung ItQ) so geschaltet wird, daß ein bewegliches Leuchtband entsteht, dessen Zange proportional einem von. einer elektrischen Steuereinheit (%%) an die Ansteuerschaltung (IG) gelieferten elektrischen Signal ist.

3. Thermischer Stellmotor nach Eankt \ und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal aus der: Steuereinheit (1t) über eine invertierende* Schaltung· (1-2) in die Ansteuerschaltung CtO) gelangt.

Hieran 1 Sslia