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Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Ventil zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben zur Betätigung von Armaturen in automatisierungstechnischen Anlagen.
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Elektropneumatische Ventile werden eingesetzt zur Ansteuerung sowie zur Positionsregelung von Stell- oder Regelantrieben und zwar gleichermaßen für einfachwirkende wie doppeltwirkende Ausführungen, so wie blockierende und entlüftende Ausführungen.
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Derartige Ventile sind prinzipiell aus der
EP 1758 007 A1 bekannt. Danach besteht das Ventil mindestens aus einem Steuerdruck-Regler, einem pneumatischen Verstärker und einem elektropneumatischen Wandler sowie einem Zuluftkanal, einem Abluftkanal und einem Anschlußkanal zum Stellantrieb.
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Unter einem pneumatischen Verstärker wird im Rahmen dieser Beschreibung eine technische Einrichtung verstanden, die mit Hilfe eines pneumatischen Eingangssignals ein pneumatisches Ausgangssignal steuert.
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Der elektropneumatische Wandler wird hierbei mit einem Betriebsmedium aus dem Zuluftkanal versorgt. Dieses Betriebsmedium ist typischerweise ein komprimiertes Gas, aber auch jedes andere fluide Medium ist möglich. Das dem elektropneumatischen Wandler zugeführte Betriebsmedium hat üblicherweise einen pneumatischen Druck, der zur Stellung des Antriebs benötigt wird. Zur internen Steuerung des pneumatischen Verstärkers wird ein deutlich geringerer, möglichst konstanter Steuerdruck des gleichen Betriebsmediums dem Zuluftkanal entnommen. Hierfür wird das Medium einem Steuerdruck-Regler zugeführt, der den Druck des Betriebsmediums auf den gewünschten Steuerdruck reduziert und auf einen konstanten Wert regelt. Mit dem auf den Steuerdruck reduzierten Medium wird der pneumatische Verstärker gesteuert. Eventuelle Verunreinigungen werden mittels Filter aus dem pneumatischen System ferngehalten.
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Die Aktivierung des elektropneumatischen Ventils geschieht – nach Versorgung des elektropneumatischen Ventils mit dem Betriebsmedium als pneumatischem Energieträger – mittels Zuführung von elektrischer Energie. Dazu ist das elektropneumatische Ventil mit einem elektropneumatischen Wandler ausgestattet, das elektrisch angesteuert wird und den Steuerdruck zur pneumatischen Ansteuerung des pneumatischen Verstärkers manipuliert.
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Bei dem elektropneumatischen Wandler handelt es sich um einen Konverter, der aus einem elektrischen Eingangssignal den Steuerdruck-Kreis des pneumatischen Verstärkers gezielt beeinflusst. Mittels dieses elektropneumatischen Wandlers ist es möglich, den pneumatischen Verstärker so zu steuern, dass das Betriebsmedium in einer ersten Betriebsart gezielt vom Zuluftkanal in den Anschlußkanal zum pneumatischen Stellantrieb geleitet wird, oder in einer zweiten Betriebsart das Betriebsmedium gezielt aus dem pneumatischen Stellantrieb über den Abluftkanal in die Atmosphäre geleitet wird, oder in einer dritten Betriebsart das Betriebsmedium gezielt im Stellantrieb eingeschlossen wird, um die momentane Position des Stellantriebs zu halten. Dazu weist der pneumatische Verstärker ein erstes pneumatisches Ventil zur Verbindung des Zuluftkanals mit dem Anschlußkanal zum Stellantrieb und ein zweites pneumatisches Ventil zur Verbindung des Abluftkanals mit dem Anschlußkanal zum Stellantrieb auf. Eine derartige Anordnung wird normgerecht als 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung bezeichnet.
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Aus der
EP 1758 007 A1 ist ferner bekannt, den elektropneumatischen Wandler mit piezoelektrischen Biegewandlern auszustatten, die mit geringer elektrischer Energie angesteuert werden können. Der geringe Energiebedarf ist eine Kernanforderung für den Einsatz in Zweileitergeräten in der Automatisierungstechnik, die ihre Energie über ihr Ansteuersignal aus einer 4...20 mA – Stromschleife beziehen.
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Die Zuordnung des elektrischen Eingangssignals in einer elektrischen Einheit am elektropneumatischen Wandler zum Ausgangssignal am Anschlußkanal zum Stellantrieb als gestellter Öffnungsquerschnitt oder als Durchflusseinheit wird durch eine Übertragungskennlinie beschrieben. Die Übertragungskennlinie ist durch drei charakteristische Bereiche gekennzeichnet, die ausgehend vom Bereich des Entlüftens über den Bereich des Dichtschließens bis zum Bereich des Belüftens reicht.
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Der Dichtschließbereich beschreibt den Bereich der elektrischen Ansteuerung, bei dem das elektropneumatische Ventil die am Anschlußkanal zum Stellantrieb befindliche Seite gegen alle möglichen Be- und Entlüftungswege dichtschließt. Im Bereich des Belüftens folgt der Luftausgang durch den Anschlußkanal zum Stellantrieb im wesentlichen proportional dem elektrischen Ansteuersignal mit einer konstanten Steigung bis zum vollen Luftausgangssignal. Im Bereich des Entlüftens folgt das Luftausgangssignal an der Abluftseite im wesentlichen proportional dem elektrischen Ansteuersignal mit einer konstanten Steigung bis zur vollen Abluftleistung.
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Der Übergang vom Bereich des Dichtschließens in den Bereich des Entlüftens ist der Öffnungspunkt für das Entlüften und der Übergang vom Bereich des Dichtschließens in den Bereich des Belüftens ist der Öffnungspunkt für das Belüften. Die Öffnungspunkte für das Belüften und Entlüften sind für den Einsatz des elektropneumatische Ventils in einem elektro-pneumatischen Stellungsregler von großer Bedeutung für eine hohe Regelgüte bezogen auf den angeschlossenen Stellantrieb.
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Eine hohe Regelgüte wird bei einem derartigen elektropneumatischen Ventil durch die Hysterese zwischen hin- und rücklaufender Kennlinie und die Drift der Öffnungspunkte behindert. Diese Effekte sind im Fall von elektropneumatischen Wandlern mit Piezo-Technologie im Besonderen der Piezo-Keramik zuzuordnen und sind abhängig von Umwelteinflüssen wie der Temperatur der Piezo-Keramik und/oder Feuchte/Verschmutzung an ihrer Oberfläche und daraus resultierenden Kriechströmen. Insbesondere Ventile mit Piezo-Biegern bieten hier eine entsprechende Oberfläche. Bei magneto-induktiven Ansteuerungen treten diese Effekte in ähnlicher Form auf. Aber auch andere Einflüsse, wie Längendehnung der verwendeten Materialien, Reibung im Gesamtaufbau und Justage-Einrichtungen und das mechanische Setzverhalten des elektropneumatischen Wandlers, die insbesondere durch Temperaturzyklen über den zulässigen Temperaturbereich hervorgerufen sein können, sind hierfür ursächlich.
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Da die Öffnungspunkte über die genannten Einflussgrößen driften, kann einer zuvor ermittelten elektrischen Stellgröße für das Vorsteuerventil ein Öffnungspunkt oder eine für eine Regelung aus reichend kleine Durchflussmenge am Ausgang nicht zuverlässig einen zu jedem Zeitpunkt geltenden konstanten Wert, der durch eine Kalibrierung bei der Inbetriebnahme ermittelt wird, zugewiesen werden.
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Ebenfalls für die Regelgüte von Bedeutung ist die Kompensation der Hysterese. Da zwischen hin- und rücklaufender Kennlinie ein Versatz liegt, folgt der pneumatische Verstärker nicht direkt der elektrischen Stellgröße. Da die Größe der Hysterese ebenfalls den genannten Umwelteinflüssen unterliegt, ist zur Laufzeit nicht bekannt, wie stark die Stellgröße geändert werden muss, um den Öffnungsquerschnitt beziehungsweise die Luftmenge im pneumatischen Verstärker in der gewünschten Größenordnung in entgegengesetzter Richtung zu steuern.
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Aus der
WO 2008/044712 A1 ist ein Druckregler bekannt, der einen Druckbehälter aufweist, dessen Zufluss mit einem Durchflussmesser, dessen Druck mit einem Druckmesser und dessen Druckableitung mit einem Druckdifferenzierer gemessen wird, deren Messwerte einer Druck-Steuervorrichtung zugeführt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für ein elektropneumatisches Ventil Mittel anzugeben, die eine dem elektrischen Stellsignal entsprechende Einstellung der Luftmenge am Anschlußkanal zum Stellantrieb unabhängig von Drift und/oder Hysterese gestatten.
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Die Erfindung geht von einem elektropneumatischen Ventil zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben aus, das mindestens einen elektropneumatischen Wandler und einen pneumatischen Verstärker aufweist, wobei der pneumatische Verstärker mindestens eine Ventilvorrichtung zur wahlweisen Verbindung des Anschlußkanals zum Stellantrieb mit dem Zuluftkanal oder mit dem Abluftkanal aufweist, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal über den elektropneumatischen Wandler betätigt werden.
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Die Erfindung geht ferner von der Erkenntnis aus, dass eine hohe Regelgüte in allen Einsatzbereichen der jeweiligen Endanwendung, insbesondere in einem elektropneumatischen Stellungsregler, nur dann zu erreichen ist, wenn die gewünschten Querschnitte des Ventils und damit die Mengen des Betriebsmediums zuverlässig gestellt beziehungsweise dosiert werden können. Dazu ist die Kenntnis der tatsächlichen Öffnungspunkte entscheidend. Die Steigung der Kennlinie ist dabei weitestgehend unbetroffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem rückbezogenen Anspruch angegeben.
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Im Einzelnen ist in dem Anschlußkanal zum Stellantrieb mindestens ein Durchflußsensor angeordnet, dessen Ausgangssignal auf das elektrische Stellsignal rückgekoppelt ist.
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Beim Übergang vom Dichtschließbereich in den Bereich des Belüftens oder in den Bereich des Entlüftens des Stellantriebs, also an den Öffnungspunkten der Ventilanordnung, wird in jedem Fall das Betriebsmedium durch den Anschlußkanal strömen und damit an dem Durchflußsensor einen messbaren Effekt erzeugen.
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Vorteilhafterweise wird der tatsächliche Öffnungspunkt des beobachteten pneumatischen Ventils durch die damit einhergehende Wirkung, nämlich die einsetzende Durchströmung, erfasst. Darüber hinaus ist der Öffnungsgrad des Ventils durch die Messung der hindurchfließenden Menge des Betriebsmediums ermittelbar. Dadurch gelingt es, kleine Durchflussmengen sicher einzustellen.
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Durch die Erfassung der tatsächlichen Durchflussmenge des Betriebsmediums durch den Anschlußkanal werden sowohl die Einflüsse der Drift des Öffnungspunktes als auch die Hysterese auf die Einstellung der Luftmenge am Anschlußkanal zum Stellantrieb eliminiert.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Durchflußsensor ein thermischer Massenstrommesser. Derartige Massendurchflussmesser sind seit langem bekannt. Das Messprinzip thermischer Massendurchflussmesser beruht auf der Abkühlung eines auf einen Halter montierten Heizelements, wenn dieses in ein strömendes Fluid eingetaucht wird. Die Strömung, welche über die Oberfläche des Heizelements strömt, nimmt Wärme von dieser auf und kühlt das Heizelement hierdurch ab. Die Menge an Wärme, die die Strömung aufnimmt, hängt dabei von der Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Fluid sowie der Strömung selber ab. Sie kann durch eine Funktion q . = α(TO – TF) beschrieben werden, mit
- q .:
- abgeführte Wärmemenge,
- (TO – TF):
- Temperaturdifferenz und
- α:
- Proportionalitätskonstante.
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Die Proportionalitätskonstante α ist dabei direkt von der Strömung abhängig und ist eine Funktion der Massenstromdichte über das Heizelement α = f(ρν) ~ √ρν. Ist nun die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Fluid sowie die Heizleistung, die zum Erzeugen dieser Temperaturdifferenz nötig ist, bekannt, so kann hieraus somit der Massenstrom über das Heizelement bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise bleibt dabei die Erfassung der gesuchten Öffnungspunkte rückwirkungsfrei gegenüber dem beobachteten pneumatischen Ventil.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Ventils
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2 eine Prinzipdarstellung einer Kennlinie eines elektropneumatischen Ventils
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3 eine Detaildarstellung aus einem elektropneumatischen Ventil
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In der 1 ist ein elektropneumatisches Ventil 10 zur Ansteuerung eines einfach wirkenden pneumatischen Stellantriebs 30 dargestellt, das einen elektropneumatischen Wandler 16 und einen pneumatischen Verstärker aufweist, der eine Ventilvorrichtung 11 zur wahlweisen Verbindung eines Anschlußkanals 18 zum Stellantrieb 30 mit einem Zuluftkanal 12 oder mit einem Abluftkanal 13 aufweist. Diese Ventilvorrichtung 11 ist vorzugsweise als 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung ausgeführt.
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Das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 ist zur wahlweisen Verbindung des Anschlußkanals 18 zum Stellantrieb 30 mit einem Zuluftkanal 12 oder mit einem Abluftkanal 13 ausgebildet. Die bestimmungsgemäße Betätigung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 erfolgt durch einen elektropneumatischen Wandler 16 in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal 22. Dazu ist der elektropneumatische Wandler 16 über einen Druckregler 14 und eine Drosseleinrichtung 15 mit dem Zuluftkanal 12 verbunden und somit mit einem geringen und konstanten Druck versorgt.
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Der Stellantrieb 30 ist über eine Hubstange 31 mit einer Armatur 32 verbunden, die geeignet ist, den Durchfluß eines prozessualen Mediums durch eine Rohrleitung zu steuern.
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Das elektrische Stellsignal 22 zur Betätigung des elektropneumatischen Wandlers 16 wird mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung 20 aus einem Sollwert 21 abgeleitet. Dabei ist die in 2 dargestellte Übertragungskennlinie des elektropneumatischen Ventils 10 zu berücksichtigen. Der Verlauf der Luftleistung L als Maß für die Luftdurchtrittsmenge pro Zeiteinheit in Durchtrittsrichtung über die Steuerspannung S des elektrischen Stellsignals 22 zeigt drei signifikante Bereiche.
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In einem ersten Bereich zwischen 0% Steuerspannung S und einem mit P1 bezeichneten Öffnungspunkt ist die Luftleistung L negativ; das bedeutet, der Stellantrieb 30 wird entlüftet. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 so eingestellt, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 mit dem Abluftkanal 13 verbunden ist. Folglich entweicht die im Stellantrieb 30 gespeicherte Luft durch den Abluftkanal 13 in die Umgebung.
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In einem darauffolgenden zweiten Bereich der Steuerspannung S zwischen den Öffnungspunkten P1 und P2 ist die Luftleistung L gleich Null; das bedeutet, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 gegen alle möglichen Be- und Entlüftungswege dichtschließt. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 in seiner Sperrmittelstellung. Folglich wird die Luft im Stellantrieb 30 gespeichert. Der Dichtschließbereich erstreckt sich nahezu symmetrisch um etwa 50% der Steuerspannung S.
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Schließlich ist in einem darauffolgenden dritten Bereich der Steuerspannung S zwischen dem Öffnungspunkt P2 und 100% Steuerspannung S die Luftleistung L positiv; das bedeutet, der Stellantrieb 30 wird belüftet. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 so eingestellt, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 mit dem Zuluftkanal 12 verbunden ist. Folglich wird der Stellantrieb 30 mit Luft befüllt.
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Darüber hinaus ist das Verhalten des elektropneumatischen Ventils 10 hysteresebehaftet. Das bedeutet, dass eine Richtungsänderung der Steuerspannung S erst nach einer Beharrung in eine äquivalente Änderung der Luftleistung L übernommen wird. Dieses Hysterese genannte Verhalten ist in 2 durch schraffierte Flächen an den betroffenen Kennlinienabschnitten dargestellt.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist in dem Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 ein Durchflußsensor 17 angeordnet. Der Durchflußsensor 17 liegt im Strom des Betriebsmediums durch den Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30. In Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 wird der Anschlußkanal 18 durch das zum Belüften oder Entlüften des Stellantriebs 30 strömende Betriebsmedium durchflossen. Die Menge des Durchflusses durch den Anschlußkanal 18 wird dabei mit dem Durchflußsensor 17 erfasst.
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In einer ersten Ausführungsform ist der Durchflußsensor 17 zur Erfassung des Durchflusses ohne Erfassung einer Richtungsinformation der Durchströmung ausgelegt. Die Richtungsinformation der Durchströmung ist verzichtbar, da sie sich zwanghaft aus dem aufgeschalteten elektrischen Stellsignal 22 ergibt. Sofern der Anschlußkanal 18 zum Belüften oder Entlüften des Stellantriebs 30 vom Betriebsmedium durchflossen wird, ist der Betriebszustand sicher außerhalb des Bandes des Dichtschließens zwischen den Öffnungspunkten P1 und P2 in der Darstellung der 2.
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Dieser Durchflußsensor 17 ist mit der Signalverarbeitungseinrichtung 20 verbunden. Das Ausgangssignal des Durchflußsensors 17 ist auf das elektrische Stellsignal 22 rückgekoppelt. Dazu wird das Ausgangssignal des Durchflußsensors 17 mit dem Sollwert 21 verknüpft.
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In einer einfachen Ausführung der Erfindung ist der Durchflußsensor 17 hochempfindlich. Seine Messgenauigkeit ist hingegen bedeutungslos. Folglich werden geringste Bewegungen des Betriebsmediums detektiert und somit die Öffnungspunkte P1 und P2 sicher erkannt.
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In bevorzugter Ausführung des elektropneumatischen Ventils 10 ist der Durchflußsensor 17 ein thermischer Massenstrommesser. Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 3 ein Durchflußsensor 17 in einem Anschlußkanal 18 dargestellt. Der Durchflußsensor 17 ist als thermischer Massenstrommesser ausgebildet und mit der Signalverarbeitungseinrichtung 20 verbunden. Mit Hilfe der Signalverarbeitungseinrichtung 20 wird das Ausgangssignal des thermischen Massenstrommessers 17 auf das elektrische Stellsignal 22 rückgekoppelt. Dadurch wird erreicht, dass eine Änderung des Sollwerts 21 unmittelbar in eine adäquate Luftleistung L am Stellantrieb 30 umgesetzt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchflußsensor 17 im Gehäuse des elektropneumatischen Ventils 10 untergebracht. In einer alternativen Ausführungsform ist der Durchflußsensor 17 in einer den Anschlußkanal 18 bildenden Verbindungsleitung zwischen dem elektropneumatischen Ventil 10 und dem pneumatischen Stellantrieb 30 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Nachrüstung oder Aufrüstung einer bestehenden Einrichtung mit einem elektropneumatischen Ventil 10 und einem pneumatischen Stellantrieb 30 erleichtert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektropneumatisches Ventil
- 11
- Ventilvorrichtung
- 12
- Zuluftkanal
- 13
- Abluftkanal
- 14
- Druckregler
- 15
- Drosseleinrichtung
- 16
- elektropneumatischer Wandler
- 17
- Sensor
- 18
- Anschlußkanal
- 20
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 21
- Sollwert
- 22
- elektrisches Stellsignal
- 30
- Stellantrieb
- 31
- Hubstange
- 32
- Armatur
- L
- Luftleistung
- S
- Steuerspannung
- P1, P2
- Öffnungspunkt
