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Differenzdruckrelais Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckrelais
für Regelanlagen und Regelgeräte aller Art, welche mit strömenden Medien arbeiten.
Insbesondere ist dieses Differenzdruckrelais für mit gasförmigen Medien, vorzugsweise
mit Luft arbeitende Anlagen und Einrichtungen wie vor allem für pneumatische Regelkreise
geeignet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das Differenzdruckrelais
auch als pneumatisches oder hydraulisches Rechengerät zur Ausführung von Rechenoperationen
verschiedener Art dienen.
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Es ist in der Druckmeßtechnik bekannt, zwei an Druckleitungen angeschlossene
Freistrahhnündungen gegeneinandergerichtet anzuordnen und die sich zwischen diesen
Freistrahlmündungen einstellenden Druckverhältnisse zu verwerten. Durch die Erfindung
wird bezweckt, unter Verwendung einer solchen auf einfache Weise das z. B. bei pneumatischen
Regelanlagen in der Verfahrenstechnik häufig auftretende Problem zu lösen, ein Signal
hervorzurufen, wenn zwei miteinander zu vergleichende Größen einander gleich bzw.
einander ungleich sind.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Freistrahlmündungen im wesentlichen
koaxial den offenen Leitungsenden eines mittleren Leitungsstückes gegenüberliegen,
das eine Indizierstelle mit einem Anschluß zur Messung oder sonstigen Verwertung
des an der Indizierstelle herrschenden statischen Druckes aufweist.
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Ein auf diese Weise ausgebildetes Differenzdruckrelais kann in der
Regeltechnik zur Lösung zahlreicher Aufgaben und für verschiedenartige Zwecke verwendet
werden, beispielsweise zur überwachung der Funktion einer Regelstrecke für eine
Durchflußregelung, zur Ausführung verschiedenartiger Rechenoperationen usw.
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Gemäß der Erfindung baut sich nur dann, wenn die Geschwindigkeiten
bzw. kinetischen Energien der beiden, die offenen Enden des mittleren Leitungsstückes
beaufschlagenden freien Druckmittelstrahlen etwa die gleiche Größe haben, in dem
Leitungsstück ein statischer Druck auf, der an der Indizierstelle bzw. an dem Anschluß
derselben gemessen werden kann und der höher liegt als der Atmosphärendruck. Dieser
Druck kann dann angezeigt bzw. als Signal benutzt werden. Wenn aber die Geschwindigkeiten
bzw. die kinetischen Energien der beiden freien Strahlen ungleich sind, so wird
das mittlere Leitungsstück von dem Medium durchströmt, wobei dann der statische
Druck an der Indizierstelle etwa gleich dem Atmosphärendruck ist.
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Der freie Querschnitt des mittleren Leitungsstückes ist über die ganze
Länge desselben vorzugsweise im wesentlichen gleich dem Querschnitt der offenen
Leitungsenden, denen die Freistrahlmündungen gegenüberliegen. Gegebenenfalls kann
der freie Querschnitt des mittleren Leitungsstückes aber auch kleiner oder etwas
größer als seine beiden Endquerschnitte sein.
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Bei Verwendung des Differenzdruckrelais als Rechengerät werden die
übergangsstellen von den Freistrahlmündungen der Druckleitungen zu den offenen Enden
des mittleren, mit der Indizierstelle versehenen Leitungsstückes in geschlossenen
Räumen angeordnet, die mit Auslässen bzw. Anschlüssen versehen sind. Diese Auslässe
können wahlweise z. B. beide in die Atmosphäre münden oder miteinander verbunden
sein, oder einer der Auslässe kann abgeschlossen und der andere Auslaß mit der Atmosphäre
verbunden werden. Auf diese oder sonstige Art lassen sich mannigfache Varianten
je nach den auszuführenden Rechenoperationen herstellen.
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Weitere Varianten des Differenzdruckrelais bzw. des Rechengerätes
lassen sich durch Änderung der Abmessungen des mittleren Leitungsstückes, der Freistrahlmündungen
usw. erzielen.
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Mit Hilfe der Zeichnung ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen
nachstehend beispielsweise erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch die prinzipielle Ausbildung eines Di$erenzdruckrelais
gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt schematisch die Anwendung des Differenzdruckrelais
bei einer Durchflußregelanlage, und F i g. 3 zeigt schematisch ein als Rechengerät
dienendes Di$erenzdruckrelais.
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Das in F i g. 1 rein schematisch veranschaulichte Differenzdruckrelais
besteht im wesentlichen aus einem z. B. rohrförmigen Leitungsstück 1 oder einem
ähnlichen Durchströmungsraum, welcher etwa in der
Mitte eine Indizierstelle
zur Messung des statischen Druckes aufweist. Die in an sich bekannter Weise als
Bohrung, Schlitz od. dgl. ausgebildete Indizierstelle ist mit einer Anschlußleitung
2 versehen, die z. B. zu einem Anzeigegerät oder einem Signalgeber od. dgl. führt.
Vor den beiden Endquerschnitten oder offenen Enden 3, 4 des Leitungsstückes 1 befinden
sich in geringem Abstand koaxial zwei Düsen 6 bzw. 5, welche die Freistrahlmündungen
von Druckleitungen 8 bzw. 7 bilden, in denen Drücke p4 bzw. ps herrschen. Der freie
Querschnitt der beiden Düsen 5 und 6 hat etwa die gleiche Größe wie der freie Querschnitt
des mittleren Leitungsstückes 1. Die Leitungen 7 und 8 werden von gasförmigen Medien,
z. B. von Druckluft durchströmt, so daß die offenen Enden 4 bzw. 3 des Leitungsstückes
1 von den aus den Düsen 5 bzw. 6 ausströmenden freien Druckluftstrahlen. beaufschlagt
werden.
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Solange die Drücke ps und p4 verschieden hoch sind, geht durch das
Leitungsstück 1 ein Luftstrom hindurch, ohne daß an der Indizierstelle 2 ein statischer
Druck meßbar ist, welcher sich wesentlich vom Atmosphärendruck unterscheidet. Sind
dagegen die Drücke pa und p4 einander im wesentlichen gleich, so entsteht in dem
Leitungsstück 1 ein nahezu gleich großer Staudruck, d. h., der Druck an der Indizierstelle
2 ist im wesentlichen bzw. nahezu ebenso groß wie der Druck p3 bzw. p4. Dieser statische
Druck kann, wie gesagt, gemessen, angezeigt oder zur Signalgebung verwendet werden.
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Der Druckanstieg bzw. der Druckabfall an der Indizierstelle 2 bei
konstantem Druck p4 und geringfügiger Änderung des Druckes p3 kann in weiten Grenzen
durch Änderung der Dimensionen des mittleren Leitungsstückes 1 und/oder der Ausbildung
bzw. der Dimensionen der Düsen 5 und 6 variiert werden. Gegebenenfalls können die
Düsen 5 und 6 auch als Kapillarstücke ausgebildet werden.
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In F i g. 2 ist als Ausführungsbeispiel die Anwendung des Differenzdruckrelais
bei der Regelstrecke einer Durchflußregelung veranschaulicht. Der Durchfiuß eines
strömenden Mediums durch eine Leitung 9 wird hier an einer Blende 10 über Differenzdruckleitungen
11 und 12 durch einen Meßumformer 13 gemessen. Der Meßumformer 13 besteht vorzugsweise
aus einem Einheitsmeßumformer, der den Differenzdruck in ein pneumatisches Ausgangssignal
umwandelt, welches etwa in den Grenzen von 0,2 bis 1 atü liegt.
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Der Meßumformer 13 ist durch eine Leitung 14 mit einem Regler 15 verbunden,
dessen Reglerausgang durch eine Leitung 16 auf ein Membranventil 17 geschaltet ist,
welches in der Durchflußleitung 9 in den Stellstrom der Strahlen eingreift. Der
Regler 15 wird einerseits über die Leitung 14 von .dem Meßumformer 13 mit einem
Istwert beaufschlagt und andererseits von einem Druck, der z. B. von einem Fernsteller
über die Leitung 18 als Sollwert vorgegeben wird.
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An die Leitungen 14 und 18 sind die Druckleitungen 7 bzw. 8 des Differenzdruckrelais
1 angeschlossen, dessen Indizierstellenanschluß 2 schematisch angedeutet ist.
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Der Regler 15 sorgt im Normalfall dafür, daß der Istwert und der Sollwert
einander gleich sind, sofern es sich um einen PI-Regler oder um einen PID-Regler
handelt. Das Differenzdruckrelais 1, welches gemäß F i g. 1 ausgebildet ist, wird
durch die Leitungen 7 und 8 vom Istwert und vom Sollwert beaufschlagt. Wenn die
Regelstrecke ordnungsgemäß arbeitet, sind diese Werte im wesentlichen gleich, so
daß an der Indizierstelle 2 ein statischer Druck aufgebaut wird, welcher höher liegt
als der Atmosphärendruck, so daß das Differenzdruckrelais über den Indizierstellenanschluß
2 ein Signal abgibt. Wenn dagegen in der Regelstrecke eine Störung auftritt, z.
B. beim Ausfall des Meßumformers 13 oder des Reglers 15, so stimmen Ist- und Sollwert
nicht mehr überein. Die Folge davon ist, daß der statische Druck an der Indizierstelle
etwa gleich dem Atmosphärendruck wird, so daß das Differenzdruckrelais kein Signal
mehr abgibt. Auf diese oder ähnliche Weise wird die Störung angezeigt bzw. werden
sonstige Operationen eingeleitet.
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Das in F i g. 3 veranschaulichte Rechengerät basiert auf einem Differenzdruckrelais,
welches gemäß F i g. 1 ausgebildet ist. Das mittlere Leitungsstück 1 hat etwa in
der Mitte zwischen den offenen Endquerschnitten 3 und 4 die Indizierstelle mit dem
Leitungsanschluß 2. Vor den Leitungsöffnungen 3 und 4 befinden sich koaxial in geringem
Abstand die Düsen 6 bzw. 5, welche durch die Leitungen 8 bzw. 7 gespeist werden.
Der freie Querschnitt der beiden Düsen 5 und 6 ist etwa von der gleichen Größe wie
der freie Querschnitt des mittleren Leitungsstückes 1.
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Die Übergangsstellen, an denen die freien Strahlen aus den Düsen 6
bzw. 5 in die Öffnungen 3 bzw. 4 der Druckleitungen 8 bzw. 7 übertreten, sind von
abgeschlossenen Räumen 21 bzw. 19 umgeben, die ihrerseits mit Auslässen oder Anschlüssen
22 bzw. 20 versehen sind. Durch entsprechende Verbindungen oder Schaltungen lassen
sich mit Hilfe dieses Gerätes zahlreiche Rechenoperationen ausführen, von denen
als Beispiele folgende Möglichkeiten genannt werden: Wenn die Anschlüsse 20 und
22 mit der Atmosphäre verbunden werden und wenn die Düse 5 von einem Druck ps und
die Düse 6 von einem Druck p4 beaufschlagt werden, so arbeitet das Gerät als Differenzdruckrelais
in der oben beschriebenen Weise.
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Wenn nun z. B. die Auslaßleitung 20 abgeschlossen und die Auslaßleitung
22 mit der Atmosphäre verbunden wird, so erhält man an der Indizierstelle 2 nur
dann ein Signal, wenn der Druck p4 gleich oder größer als der Druck p3 ist. Diese
Wirkung beruht darauf, daß eine Durchströmung des mittleren Leitungsstückes 1 in
Richtung des Druckes p3 bei einem Druck p4, der größer als der Druck ps ist, nur
dann stattfindet, wenn der statische Druck in dem Leitungsstück 1 gleich dem Druck
ps ist. Diese Schaltung wird z. B. in dem Falle verwendet, daß die Erzeugung eines
Signals gewünscht wird, wenn ein vorgegebener Maximal- bzw. Minimaldruck über- oder
unterschritten wird.
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Gemäß einer weiteren Schaltungsmöglichkeit werden z. B. die Auslaßleitungen
20 und 22 miteinander verbunden. Dann ist der Druck an der Indizierstelle 2 gleich
dem arithmetischen Mittel der Drücke p3 und p4, sofern die Düsen 5 und 6 strömungsmäßig
ähnlich sind, d. h. daß bei gleichen Druckdifferenzen gleiche Strömungsgeschwindigkeiten
bei gleichen Massendurchsätzen auftreten.