DE1623815A1

DE1623815A1 - Regelanordnung mit Kaskadensteuerung

Info

Publication number: DE1623815A1
Application number: DE19671623815
Authority: DE
Inventors: Stanton Benjamin Dewitt
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1966-02-28
Filing date: 1967-02-27
Publication date: 1971-03-25
Also published as: US3484590A; FR1512752A; GB1170616A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Regeln des Verhältnisses zwischen zwei oder mehr periodischen Vorgängen, wie sie beispielsweise zum Regeln des Jüsehverhältnisses von durch Leitungen strömenden Medien, inabesondere flüssigkeiten, Anwendung finden kann_o

Bei verschiedenen Funktionsabläufen in der Industrie, vor allem in der chemischen Industrie und Petroleumindustrie, ist oftmals die Steuerung bzw. Regelung des Verhältnisses zwischen zwei sich mit der Zeit ändernden Vorgängen erforderlich. Eine solche Regelung ist vor allem bei Leitungsmischsystemen erforderlich, wo zwei Medien miteinander gemischt werden« Dabei ist es erforderlich, daß die Anordnung zum Regslii das Miachverhältnisses eine sehr genaue Mischung der

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Medien ergibt und gewährleistet, daß das Mischprodukt den gewünschten Eigenschaften entspricht. Eine solche Regelanordnung in form einer Kapazitätsbrücke ist beispielsweise

Gegenstand des älteren Patents <,·...· (Patentanmeldung

N 15 932 IX/42d)o Die Brücke besteht aus zwei Hilfskondensatoren die proportional zur Größe der Durchflußgeschwindigkeit der beiden Medien in den beiden Leitungen aufgeladen werden_e Diese beiden Hilfskondensatoren werden mit entgegengesetzter Phase in einen Speicherkondensator entladen, dessen Ladung als Hegel- bzw. Steuersignal dient.

Mit dieser bekannten Regelanordnung ist keine Kaskadierung eines zusätzlichen Steuersignals möglich. In vielen Anwendungsfällen ist es aber wünschenswert, zwei Komponenten miteinander zu mischen und gleichzeitig die Eigenschaften dieser Mischung

es in vorbestimmten Grenzen beizubehalten· So istAeispielsweise wünschenswert, Butan mit Benzin so zu mischen, daß ein Kraftstoff mit einer vorbestimmten Flüchtigkeit entsteht» Das gewünschte Verhältnis zwischen Butan und Benzin kann zwar eingestellt werden, jedoch ist es bei Änderung der Benzinzusammen— setzung nötig, auch das Verhältnis des Butans zu ändern, um die gewünschte !Tüchtigkeit aufrechtzuerhalten. Es ist daher nötig, das Mischverhältnis zwischen Butan und Benzin in Abhängigkeit vom Dampfdruck der fertigen Mischung zu regeln·

Hierzu muß der Dampfdruck der fertigen Mischung mit i.@r Regel«·* anordnung zum Steuern des Misohverhältnisses kaak&diert werden.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Regelanordnung der eingangs erwähnten A£t, insbesondere einer Regelanordnung

gemäß Patent .(Patentanmeldung N 15 932 IX/42d), mit

der das Mengen-Verhältnis von zwei zu mischenden Medien geregelt werden kann, derart weiterzubilden, daß auch eine zusätzliche Beeinflussung des Mischverhältnisses durch ein weiteres Steuersignal möglich ist«,

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Regelanordnung der oben beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

über eine Schaltung eine dieser zusätzlichen Steuererzeugt größe entsprechende Steuerspannung/und über einen Widerstand dem Speicherkondensator der Regelanordnung zugeführt wird» Der Widerstand ist dabei vorzugsweise einstellbar, so daß die Größe der Beeinflussung durch das Kaskadesignal geändert werden kann. Die Schaltungsanordnung zum Ableiten einer St euer spannung ist vorzugsweise ein üblicher i^inkti ons verstärker mit einem Kondensator in seinem Rückkopplungskreis. Der Funktionsverstärker arbeitet in diesem Pail als Integrator und erzeugt ein Ausgangssignal, das dem Zeitintegral des Kaskadesignals entspricht_o Der Verstärker kann auch noch mit einem Schalter versehen sein, durch welchen der Eingang mit dem Ausgang kurzschließbar ist, um auf diese Weise die Einwirkung des Kaskadesignals auf die Regelanordnung abzuschalten«

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Zusätzlich kann der Verstärker noch mit einer Einrichtung zum automatischen Einschalten versehen sein, "beispielsweise mit einem üblichen Zeitverzögerungsrelais. Dieses Relais wird zu Beginn geschlossen um den Verstärkerausgang mit dem Eingang zu verbinden» Auf diese Weise wird das Kaskadesignal von seiner Einwirkung auf die Regelanordnung abgehalten und erst zugeführt, wenn das Verzögerungsrelais nach einer vorbestimmten Zeitspanne öffnet.

Vor dem Punktionsverstärker kann noch eine Schaltungsanoder
Ordnung zur Bildung der Summe/der Differenz angeordnet sein, welcher das zu kaskadierende Eingangssignal sowie ein Einstellsignal zugeführt wird, so daß ein Ausgangssignal entsteht,

das der Differenz in der Größe des Kaskadesignals und des Einstellsignals entsteht«

Die erfindungsgemäße Regelanordnung kann auch zum Messen der Menge einer Komponente der Mischung verwendet werden. So kann beispielsweise Butan mit Benzin in einem festen Verhältnis gemischt werden und der Dampfdruck (Reid-Dampfdruck) kann z.B. auf etwa 40 kg/m (8 Pfund pro Quadrat Inch) gehalten werden. Wenn der Dampfdruck während des Mischens seinen vorbestimmten Wert behält, so wird keine Ausgangsspannung am Ausgang des Kaskadekreises entstehen. Unter diesen Bedingungen wird die Verhältnisspannung der Menge des Butans in der Mischung entsprechen. Wenn der Dampfdruck sich

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jedoch ändert, wird der Kaskadekreis eine Ausgangsspannung liefern und die Butanmenge in der Mischung wird sich ändern. Zur Bestimmung des neuen Mengenverhältnisses von Butan zu Benzin wird die Verhältnisspannung solange geändert, bis das Signal des Kaskadekreises wieder Hull ist. Die Verhältnisspannung entspricht dann der Butanmenge in der Mischung»

Der Punktionsverstärker des Kaskadekreises liefert entweder eine positive oder negative Spannung an die eigentliche Regelanordnung. Der Kaskadekreis kann daher diese Hegelanordnung in beiden Kichtungen korrigieren,,

Die Kombination eines Handschalters und eines Verzögerungsrelais ermöglicht es, daß die Regelanordnung selbsttätig von dem System abschalbar oder mit dem System kaskadierbar ist. Die Kaskadensteuerung wird damit ohne Übersteuerung oder anderen Schwingungserscheinungen der eigentlichen Regelanordnung eingeschaltet. Die stoßfreie Einwirkung der Kaskadesteuerung auf die Verhältnissteuerung resultiert daraus, daß der Ausgang des Kaskadeverstärkers solange KTuIl ist bis der den Verstärker kurzschließende Schalter geöffnet wird. Daher besitzt der Kaskadekreis eine Ausgangs spannung IiTuI 1 in dem Moment,-wo er mit dem eigentlichen Regelkreis zusammengeschaltet wird.

Wie bereits erwähnt, besteht die eigentliche Regelan-

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Ordnung im Sinne des älteren Patents aus der Reihenschaltung eines Speicherkondensators und einer Spannungsquelle, deren Ausgansspannung stets gleich (oder mindestens im wesentlichen gleich) und von entgegengesetzter Polarität zu der Spannung des Speicherkondensators ist. Die Spannungsquelle kann beispielsweise ein üblicher Punktionsverstärker sein, in dessen Rückkopplungskreis der Speicherkondensator angeordnet ist. Bezüglich der Wirkungsweise dieser Regelanordnung wird auf dieses ältere Patent verwiesen,-

Bei einer solchen Regelanordnung kann auch einer der Hilfskondensatoren mit dem zugeordneten Relais und der Gleichstromquelle durch eine feste, jedoch einstellbare und/oder steuerbare Gleichstromquelle ersetzt werden. Ein derartiger Ersatz ist von Vorteil, wenn einer der Vorgänge die Punktion einer Bezugsgröße hat, mit welcher der andere Vorgang verglichen werden soll.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungebeispiel näher erläuterte

Pig. I zeigt das Blockschaltbild einer Regelanordnung gemäß der Erfindung₀

• Pig. 2 zeigt den Kaskadesteuerkreis, mit der vereinfacht dargestellten Regelanordnung gemäß dem älteren Patent« ~'""" ~- -

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Pig. 1 zeigt zwei Strömungsmittelleitungen 10 und 11, von denen die eine Benzin und die andere Butan enthält. Die beiden Flüssigkeiten sollen zu einer Benzinmischung am Auslaß 12 gemischt werden, die einen vorbestimmten Prozentsatz von Butan in der Mischung enthält. Zusätzlich zu einer vorbestimmten Menge von Butan im Ausgang 12 soll außerdem der Dampfdruck der Mischung in vorbestimmten Grenzen gehalten werden. Diese Forderung soll unabhängig von der prozentualen Butanmenge in der Mischung aufrechterhalten werden. Daher muß die Butanmenge geändert werden um den gemischten Dampfdruck aufrechtzuerhalten. Der Dampfdruck kann mit den verschiedenartigsten bekannten Einrichtungen 13 gemessen werden, die ein dem Dampfdruck entsprechendes elektrisches Analogsignal liefern. Die Einrichtungen zum Messen des Dampfdruckes sind meist langsam ansprechende Meßeinrichtungen und können nicht unmittelbar zur Steuerung des Mischprozesses herangezogen werden. Man wird deshalb zunächst das ungefähre Mischverhältnis zwischen Butan und Benzin im Verhältnisregler einstellen und den Mischvorgang beginnen. Wenn daraufhin von der Dampfdruckmeßeinrichtung 13 ein Anzeigesignal geliefert wird, so wird der Kaskadekreis den Verhältnisregler entsprechend nachstellen,,

Das Analogsignal des Dampfdruckmessers 13 wird einem Kaskadekreis 14 zugeführt, der sein Ausganssignal seinerseits dem Mischregler 15 zuführt. Der Mischregler 15 ist ein Ver-

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hältnisregler gemäß dem erwähnten älteren Patent. Dieser Mischregler erhält die Ausgangssignale der Durchflußmengenmesser 16 und 18 und steuert den Durchfluß in der Leitung in Abhängigkeit von den Durchflußgeschwindigkeiten und dem gewüschten Mischverhältnis. Der Mischregler verstellt normalerweise über eine nicht gezeigte Steuereinrichtung ein Ventil 17 um auf diese Weise den Durchfluß in der- Leitung 11 zu ändern.

Die Regelanordnung ist im Zusammenhang mit dem Mischen von Butan und Benzin bei gleichzeitiger. Aufrechterhaltung des Dampfdruckes der Mischung in vorbestimmten- Grenzen beschrieben worden, sie kann jedoch ebenso gut für andere Zwecke in analoger Weise verwendet werden. Anstelle des Dampfdruckes kann beispielsweise auch die Viskosität oder die Temperatur der Mischung zusätzlich geregelt werden. Ebenso gutlann es wünschenswert sein, zwei Mischungen mit einem vorbestimmten Mischverhältnis zusammen zu mischen, während eine davon unabhängige Eigenschaft der Mischung in vorbestimmten Grenzen gehalten werden soll. Die Erfindung ist daher nicht auf das beschriebene Mischsystem beschränkt.

In Fig. 2 ist der Kaskadekreis näher erläutert. Dieser Kaskadekreis 14 besteht aus einer Summiereinrichtung 20, der ein der veränderbaren Steuergröße entsprechendes Eingangssignal 22 sowie ein Stellsignal 21 von entgegenge-

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setzter Polarität zugeführt wird. Die Summiereinrichtung kann beispielsweise ein üblicher Surnnterverstärker sein, der an seinem Eingang zwei Eingangswiderstände aufweist und aus einem Funktionsverstärker mit einem Widerstand in seinem Rückkopplunkskreis besteht. Die Summiereinrichtung erzeugt ein Ausgangssignal, das der Differenz ddr Größe zwischen dem Eingangssignal 22 und dem Stellsignal 21 entspricht. In dem in Fig, 1 gezeigten Beispiel entspricht das Eingangssignal 22 dem gemessenen Dampfdruck und das Stellsignal 21 entspricht dem gewünschten Dampfdruck. Das Ausgangssignal der Summiereinrichtung 20 Mnn entweder positiv oder negativ sein. Damit kann die Kaskadensteuerung entweder zum Vergrößern oder zum Verkleinern der Menge eines der Mischmedien dienen. Wenn das durch den Mischregler eingestellte Verhältnis den vorbestimmten Dampfdruck aufrechterhält, so ist das Ausgangssignal des Kaskadekreises Null.

Das Ausgangssignal der Summiereinrichtung 20 wird einem FunktionsVerstärker 23 mit einem Kondensator 24 in seinem Eückkopplungskreis zugeführt. Dieser Funktionsverstärker arbeitet als Integrationskreis und erzeugt ein Ausgangssignal, das dem Zeitintegral des Eingangssignalss entspricht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 kann an einem Meßinstrument 29 angezeigt werden, um so den Prozentgehalt des einen Mediums in der Mischung zu bestimmen und anzuzeigen. Zur Kurzschlußverbindung zwischen dem Ausgang und Eingang des Funktionsverstärkers 23 iat ein Schalter 25

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vorgesehen, so daß die zusätzliche Steuergröße, also die zu kaskadierende Veränderliche, vom Mischregler abgeschaltet werden kann₀ Der Verstärker 23 umfaßt ferner noch ein Zeitverzögerungsrelais 28 mit Schaltkontakten 26. Dieses Zeitverzögerungsrelais dient dazu, während des Starts oder ungewöhnlicher Betriebsbedingungen die Einwirkung der zusätzlichen Steuergröße automatisch vom Mischregler abzuschalten und erst automatisch nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit anzuschalten. Auf diese Weise kann der Mischregler eingeschaltet werden und zunächst die gewünschte Mischung der beiden Medien erreicht werden, bevor die zusätzliche Steuergröße dem Regelsystem zugeschaltet wird. Ohne diese Maßnahme würde beim Einschalten die zusätzliche Steuergröße auf einen Maximalfluß des einen Mischmediums regeln. Damit würde es relativ lange dauern, bis der Mischregler das gewünschte Mischverhältnis zwischen den beiden Medien erreichte

Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird mit den Entladeströmen der Hilfskondensatoren der Mischregelbrücke summiert ο Die Verbindung zwischen dem IFunktionsverstärker-23 und dem Mischregler umfaßt einen Reihenwiderstand 27. Dieser Widerstand dient zum Einstellen des Stromes vom Verstärker 23 und es kann damit die Steuerwirkung des Kaäkadei kr.ei.ses auf den Mischregler eingestellt werden.

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Der Mischregler 15 benutzt zwei zu einer Brücke geschaltete Hilfskondensatoren 40 und41, die über Widerstände 42 und 43 mit einem gemeinsamen Erdungspunkt 44 verbunden sind. Der Kondensator 40 wird periodisch mit einer Verhältnisspannung 47 aufgeladen und über den Integrationsverstärker 50 über ein Relais 45 entladen. Das Heiais 45 arbeitet mit einer dem Durchfluß in der Leitung 10 entsprechenden Frequenz oder mit einer Referenzfrequenz. Diese Referenzfrequenz kann eine Pestfrequenz sein und beispielsweise vom Wechselspannungsnetz stammen.

Wenn nur zwei Medien gemischt werden sollen, so wird eine der Dijuchflußgeschwindigkeit des einen Mediums entsprechende Frequenz zur Steuerung des Heiais 45 benutzt Sollen jedoch mehrere Medien gemischt werden, so wird der Durchfluß jedes Mediums als Verhältnis einer Referenzfrequenz gesteuert. Hierzu sind jeweils gesonderte Mischregler 15 und Steuerven-

tile 17 für jeden Strömungsmittelkreis erforderliche

Der Kondensator 41 wird periodisch mit einer Eichspannung geladen und über den Integrationsverstärker 50 über ein Relais 46 entladen. Das Relais 46 wird mit einer dem Durchfluß in der Leitung 11 entsprechenden Frequenz geschaltet. Als Durchflußmesser 16 und 18 können übliche Einrichtungen dienen, die ein Ausgangssignal liefern, dessen Frequenz dem Durchfluß durch die Leitungen 10 und 11 entspricht„ Der Integrationsverstärker 50 kann ein üblicher Funktionsverstärker mit einem Kondensator 51 in seinem Rückko ρpluns;s-

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kreis sein. -

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Der Kondensator 51 dient als Speicherkondensator für die Differenz in der Größe zwischen den "beiden von den Hilfskondensatoren 40 und 41 gelieferten Ladungen und zusätzlich dem Ausganssignal des Funkti'onsverstärkers 23ο Der Verstärker 50 liefert ein Ausgangssignal, das gleich und gegenphasig zu der Spannung des Speicherkondensators 51 isto Dieses Ausgangssignal entspricht dem Zeitintegral des G-esamteingangssignals und dient als Steuersignal» Im allgemeinen wird das Ausgangssignal des Verstärkers 50 einem üblichen nicht gezeigten Regler zugeführt, der eine integrierende Wirkung hat und das Ventil 17 steuert«

Die erfindungsgemäße Regelanordnung ermöglicht es also, einen üblichen Mischregler mit einer zusätzlichen unabhängigen Steuergröße zu kaskadieren. Die zusätzliche Steuergröße wird dabei völlig stoßfrei hinzugefügt, so daß sie keine Übersteuerung oder andere störende Beeinflussung des Mischreglers erzeugt. Die unabhängige Steuergröße ist Null im Zeitpunkt ihrer Kaekadierung mit dem Mischregler. Auf "diese Weise kann die Funktion des Mischreglers nicht gestört werden»

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

1· Anordnung zum Hegeln des Verhältnisses zwischen zwei periodischen Vorgängen, insbesondere zum Regeln des Mischverhältnisses von strömenden Medien, bei der für jeden periodischen Vorgang ein Hilfskondensator vorgesehen ist, der über ein von dem periodischen Vorgang in Abhängigkeit von dessen Frequenz gesteuertes Relais einmal in einen eine Gleichstromquelle aufweisenden Ladekreis und zum anderen in einen Entladekreis mit einem beiden ladekreisen gemeinsamen Speicherkondensator eingeschaltet werden kann, dem die beiden Entladeströme mit entgegengesetzter Phate augeführt werden und dessen Spannung «um Regeln herangezogen wird» insbesondere Anordnung nach Petmt » .,......· (Patentsaiaeldunar S 15 932 IX/42 d), bei welcher dem den Speicherkondensator enthaltenden Entladekreis für die Hilfskondensatoren eine Spannungsquelle mit einer der Spannung des Speicherkon&ensators entgegengesetzten Polarität zugeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, da/3 zum Beeinflussen der Regelspannung in Abhängigkeit von ejlner weiteren das Verhältnis beeinflussenden SteuergröJ3* über eine Schaltung (14) eine dieser Steuergröße entsprechende Steuerspannung erzeugt und .über

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einen Widerstand (27) dem Speicherkondensatar (51) zugeführt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand (27) einstellbar ist.
3, Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet t daß die Schaltung zum Ableiten einer Steuerspannung ein«» Ifunktlonsverstärker (25) mit einem Kondensator (24) im Rüokkopplungekreis ist·
4 · Anordnung nach Anspruch 3» gekennaeich net durch eine Schalteinrichtung (25» 26) zum Kurzschließen des Verstärkereingangs mit dem Verstärkerausgang.
5. Anordnung näeh Anspruch 3 odtV i ι d^Äui oh f β-ί kennzeichnet, daß die Schmlteinrichtung (26) durch eine,ZeltTerzögerungeanorndung (28) schultbär igi, die erst nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Schließen der Schalteinrichtung öffnet·
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (22) zusammen mit einem Stellsignal (21) einem Network (20) zur Bildung der Summe oder Differenz zugeführt wird, dessen der Ampli« tudendifferenz zwischen diesen beiden Eingaiig0>:,igöalen

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entsprechendes Ausgangssignal dem Punktionsverstärker (25) zugeführt wird·
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Netzwerk (20) zur Bildung der Summe oder Differenz und dem Funktionsverstärier (23) ein Widerstand geschaltet ist.

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