DE1673543B2 - Wärmeausdehnungs-Stellan trieb - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeausdehnungs-Stellantrieb für eine Regelvorrichtung zur Regelung
einer Verfahrensgröße, mit einem in einem Gehäuse eingeschlossenen Wärmeausdehnungsmedium, insbesondere
einem wärmeausdehnbaren Wachs, das aus einem normalerweise im wesentlichen festen Zustand
durch Wärmezufuhr unter Wärmeausdehnung in einen im wesentlichen flüssigen bzw. zähflüssigen Zustand
überführbar ist, mit einem innerhalb des Gehäuses in das Wärmeausdehnungsmedium eingebetteten, durch eine
Gehäuseöffnung teilweise nach außen ragenden und verschieblich geführten Antriebsglied zur Betätigung
eines Stellgliedes, mit einer Stopfbuchsendichtung zur dichtschließenden Führung des Antriebselements in der
Gehäuseöffnung, mit einer Vorspanneinrichtung, welche das Antriebselement in seine eingezogene Stellung
vorspannt, sowie mit vorzugsweise elektrischen Heizvorrichtungen zur Wärmebeaufschlagung des Stellantriebs
in Abhängigkeit von einem Regelsignal der Regelvorrichtung.
Die Erfindung betrifft des weiteren auch die Verwendung eines derartigen Stellantriebs in einer
Regelvorrichtung zur Regelung einer Verfahrensregelgröße.
Derartige Wärmeausdehnungs-Stellantriebe vom Typ mit einem normalerweise im wesentlichen festen ι ο
Wärmeausdehnungsmedium, das durch (in Abhängigkeit von eiern Regelsignal der Regelvorrichtung
gesteuerte) Wärmezufuhr zu einer Wärmeausdehnung veranlaßt wird, wobei die Wärmezufuhr bis zur
Überführung in einen im wesentlichen flüssigen bzw. zähflüssigen Zustand des Wärmeausdehnungsmediums
erfolgen kann, sind an sich bekannt und wegen ihrer einfachen, robusten, verschleißarmen Konstruktion und
ihrer vorteilhaften Eigenschaften (einfache Erzeugung hoher Stellkräfte und/oder hoher Stellwege) grundsätzlieh
sehr vorteilhafte Stellantriebe für stark beanspruchte Regelvorrichtungen wie insbesondere Temperaturoder
anderweitige Verfahrensregelanlagen, die — zur Einhaltung entsprechend geringer Regelschwankungen
— im Betrieb einer hohen Ansprechhäufigkeit unterliegen und daher hohen Anforderungen an Verschleißfestigkeit
genügen müssen. Wärmeausdehnungs-Stellantriebe dieser Art mit einem Fest-Flüssig-Arbeitsmedium
unterscheiden sich aufgrund dieser Eigenschaften vorteilhaft von an sich ebenfalls bekannten Wärmeausdehnungs-Stellantrieben
mit gasförmigem Medium. Bei einem beispielsweise aus dem Gebrauchsmuster 18 15 602 bekannten Wärmeausdehnungs-Stellantrieb
dieses zuletzt genannten Typs ist das gasförmige Arbeitsmedium in einem allseitig geschlossenen Balgengehäuse
eingeschlossen, wobei die Stellkraft bzw. die Stellbewegung von einem beweglichen Wandungsteil
dieses Faltenbalgengehäuses abgenommen wird. Wenngleich bei einen, gasförmigen Wärmeausdehnungs-Stellantrieb
dieser Art zwar keine laufenden Abdich- -io tungsprobleme auftreten mögen, so unterliegt er
grundsätzlichen Beschränkungen hinsichtlich der mit einem derartigen gasförmigen Arbeitsmedium erzielbaren
Wärmeausdehnung und aufbringbaren Stellkräfte, im Vergleich zu einem mit Fest/Flüssig-Arbeitsmedium
mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten arbeitenden Stellantrieb; diese Beschränkungen sind besonders
ausgeprägt bei einer Ausbildung nach dem Gebrauchsmuster 18 15 602 mit nichtstarrem Gehäuse und
Abnahme der Stellbewegung an einem verschieblichen Gehäusewandungsteil, im Vergleich zu einem Wärmeausdehnungs-Stellantrieb
mit starrem Gehäuse und in das Fest/Flüssig-Arbeitsmedium eingebettetem Arbeitskolben,
von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht.
Wärmeausdehnungs-Stellantriebe der hier interessierenden
Art mit Fest/Flüssig-Arbeitsmedium sind daher wegen ihrer vorstehend genannten Vorteile (einfache,
robuste Konstruktion; hohe erzielbare Stellkräfte und/oder Stellwege; lautlose Arbeitsweise, Verschleißfestigkeit)
für Regelvorrichtungen hoher Ansprechhäufigkeit grundsätzlich besonders vorteilhaft. Jedoch ist
ihr verstärkter Einsatz in Regelvorrichtungen auf zwei Probleme gestoßen: Zum einen weisen derartige
Stellantriebe eine verhältnismäßig hohe Wärmekapazitat auf, wodurch ihre inhärente Ansprechgeschwindigkeit
verhältnismäßig klein wird; zum anderen haben sich Probleme hinsichtlich der Erzielung einer ausreichenden
Lecksicherheit im Bereich der Gehäusedurchführung für den verschieblichen Arbeitskolben ergeben,
angesichts der erheblichen in derartigen Stellantrieben im Betrieb auftretenden Arbeitsdrucke in der Größenordnung
von 700 at oder darüber. Diese Leckprobleme ergeben sich unter den angegebenen hohen Drucken, da
zur Ausnutzung des potentiell hohen Gesamt-Wärmeausdehnungsvermögens
derartiger Arbeitsmedien die Wärmezufuhr in der Regel bis zur weitgehenden Erweichung bzw. Verflüssigung des im Normalzustand
im wesentlichen festen Arbeitsmediums vorgesehen ist.
Aus der US-PS 30 16 747 ist eine Konstruktion eines Wärmeausdehnungsstellantriebs mit einem zweiteiligen
Gehäuse bekannt, wobei zwischen dem Kolben und dem Wärmeausdehnungsmedium in dem zweiteiligen Gehäuse
ein gesondertes Dichtungsteil aus Gummi oder einem anderweitigen elastischen Material vorgesehen
ist. Dieses Dichtungsteil umschließt den Kolben mit seinem in das Gehäuse hineinragenden Teil vollständig
und nimmt einen wesentlichen Teil des Gehäusehohlraums ein. Diese bekannte Konstruktion hat den
offensichtlichen Nachteil, daß — bezogen auf eine gegebene Gesamtabmessung des Aggregats — die
verfügbare Wärmeausdehnungsänderung und damit der erzielbare Stellweg verringert sind, da ein wesentlicher
Teil des Gehäuseinnenraums durch das Material des Gummidichtungskörpers eingenommen wird und also
nicht für das Wärmeausdehnungsmaterial zur Verfügung steht. Die bekannte Anordnung ist auch verhältnismäßig
aufwendig, da nicht nur ein zweiteiliger Gehäusekörper, sondern zusätzlich ein gesonderter
Gummikörper erforderlich ist, für den zudem zur Gewährleistung der erstrebten Wirkungsweise eine
Formgebung innerhalb verhältnismäßig enger Toleranzen erforderlich ist. Gleichwohl erscheint die bekannte
Konstruktion zudem erhöht störanfällig, da Verklemmungen des Kolbens in dem Gummikörper nicht zu
vermeiden sein dürften, jedenfalls über längere Betriebsdauern bzw. bei hoher Arbeitsfrequenz, welche zu
entsprechender Materialermüdung des Gummikörpers führen muß. Aus dem gleichen Grund eignet sich die
bekannte Konstruktion nicht zu intensiver Wärmebeaufschlagung des Wärmeausdehnungsmediums im Hinblick
auf die geringe Hitzebeständigkeit bzw. Verschleißfestigkeit des Gummikörpers gegenüber erhöhten
Betriebstemperaturen.
Aus der US-Patentschrift 27 99 522 ist eine Stopfbuchsendurchführung
für eine Drehwelle im Gehäuse einer Pumpe bzw. eines Reaktionsgefäßes oder eines
anderweitigen Behälters für geschmolzene Materialien, beispielsweise Metallschmelzen, bekannt, wobei der
Behälter als ganzer ständig mit der flüssigen Schmelze gefüllt ist und die Stopfbuchse zur Abdichtung als axial
erheblich verlängertes Teil ausgebildet und mit einer speziellen Packung in Form von Metallwolle, insbesondere
Stahlwolle aus nichtrostendem Stahl angefüllt; durch eine gesonderte äußere Kühlung der Stopfbuchse
wird die in diese Metallwolle einsickernde Schmelze so gekühlt, daß sie dort zum Erstarren kommt und
zusammen mit der gewissermaßen als »Stützgerüst« dienenden Stahlwollepackung die erwünschte Abdichtung
gibt. Bei der bekannten Anordnung spielt die Wärmeausdehnung des Behälterinhalts keinerlei Rolle,
vielmthr wird dort von einer im wesentlichen auf konstanter Temperatur befindlichen Behälterfüllung mit
der Schmelze ausgegangen. Es besteht bei der bekannten Anordnung auch nicht das Problem der
Abdichtung eines in der Durchführung in axialer
Richtung linear-verschieblichen Kolbens, sondern es geht dort um die Abdichtung einer stationär gelagerten
rotierenden Welle.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmeausdehnungs-Stellantrieb der eingangs genannten
Art einerseits die Ansprechgeschwindigket zu erhöhen und andererseits die Lecksicherheit an der als
Gleitführung für den Arbeitskolben ausgebildeten Gehäuseöffnung auch bei Wärmebeaufschlagung bis zur
Verflüssigung des Arbeitsmediums zu gewährleisten, und zwar ohne zusätzlichen apparativen Aufwand (wie
etwa einer besonderen äußeren Kühlung gemäß der w. u. erwähnten US-Patentschrift 27 99 522), welcher die
Gestehungskosten erhöhen und die Brauchbarkeit als wartungsarmes, betriebssicheres Stellantriebsaggregat
für Regelvorrichtungen weitgehend einschränken würde.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wärmeausdehnungs-Stellantrieb
der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Wärmezufuhr an einen begrenzten, in Abstand von der Stopfbuchsendichtung
gelegenen Bereich der Gesamtmasse des Wärmeausdehnungsmediums erfolgt, derart, daß eine
hinreichend hohe Temperaturdifferenz zwischen dem durch die Heizvorrichtung erwärmten begrenzten
Bereich und der Stopfbuchsendichtung des Stellantriebsgehäuses aufrechterhalten und das Wärmeausdehnungsmedium
im Bereich der Stopfbuchsendichtung in seinem im wesentlichen festen Zustand gehalten wird.
Indem nach dem Grundgedanken der Erfindung durch entsprechende räumlich-geometrische Ausbildung
des Stellantriebsgehäuses und Anordnung der Heizvorrichtung die hauptsächliche Wärmezufuhr zu
dem Wärmeausdehnungsmedium auf einen begrenzten lokalen Bereich innerhalb der Gesamtmasse des
Wärmeausdehnungsmediums beschränkt wird, der in größtmöglichem Abstand von der Stopfbuchsen-Durchführung
des Arbeitskolbens durch die Gehäuseöffnung liegt, wird durch diese einfache, keinerlei zusätzlichen
apparativen Aufwand bedingende Maßnahme zum einen erreicht, daß zwischen dem Bereich der primären
Wärmezufuhr und der Stopfbuchsendichtung eine ausreichende Temperaturdifferenz aufrechterhalten
wird, derart, daß selbst bei einer bis zur Verflüssigung des Wärmeausdehnungsmediums in dem erwähnten
begrenzten Bereich getriebenen Wärmezufuhr das Wärmeausdehnungsmedium im Bereich der Stopfbuchsendichtung
in seinem im wesentlichen festen Zustand verbleibt und damit selbstdichtend wirkt; gleichzeitig
wird durch die Beschränkung der primären Aufheizung auf einen begrenzten Bereich der Gesamtmasse des
Wärmeausdehnungsmediums erreicht, daß für die Eigenträgheit des Stellantriebs nicht die Wärmekapazität
der Gesamtmasse des Ausdehnungsmediums maßgeblich ist, sondern im wesentlichen nur die in dem
erwähnten lokalen begrenzten Aufheizungsbereich. Erfindungsgemäß wird somit durch eine einfache
Maßnahme eine vorteilhafte Doppelwirkung erzielt: Gewährleistung der erforderlichen Lecksicherheit auch
bei Wärmezufuhr bis über die Schmelztemperatur des Ausdehnungsmediums hinaus, d. h. bis zur Verflüssigung
des Ausdehnungsmediums; Verringerung der effektiven Wärmekapazität des Stellantriebs und dadurch bedingt
eine höhere Eigen-Ansprechgeschwindigkeit des Stellantriebs. Durch die Erfindung wird somit ein vorteilhafter
Doppeleffekt erzielt, wobei die beiden Effekte auch nicht beziehungslos nebeneinanderstehen, sondern zur
Erzielung eines besonders vorteilhaften Ergebnisses zusammenwirken: Indem durch die erfindungsgemäl
lokal begrenzte Wärmezufuhr in dem begrenztei Bereich bis zur Verflüssigung des Ausdehnungsmedium
gegangen werden kann und gleichwohl Leckproblemi an der Arbeitskolbendurchführung zuverlässig vermie
den werden, brauchen trotz der Begrenzung de hauptsächlichen Wärmezufuhr auf nur einen Teil de
Gesamtmasse des Wärmeausdehnungsmediums keim Einbußen an erzielbarer Stellkraft und erzielbaren
Stellweg hingenommen zu werden, da die Wärmezufuh innerhalb des lokal begrenzten Bereichs entspreche™
intensiv bis zur Verflüssigung, d.h. unter volle Ausnutzung des verfügbaren Wärmeausdehnungsbe
reichs des Mediums erfolgen kann; durch diese loka begrenzte, jedoch intensive Wärmezufuhr wird gleich
zeitig die erwähnte hohe Ansprechempfindlichkei unterstützt.
Als Wärmeausdehnungsmedium eignet sich für di< Zwecke der Erfindung in an sich bekannter Weise eii
Wachs, das sich bei oder oberhalb 700C, vorzugsweise
bei etwa 900C, auszudehnen beginnt und bis zu einei
Maximaltemperatur im Bereich zwischen 130°C unc 2500C erhitzt werden kann, vorzugsweise jedoch der
größten Teil seiner Ausdehnung bei etwa 1500C erreich
hat. Vorzugsweise kann das wärmeausdehnbare Medi um aus einem Polyäthylenwachs bestehen.
Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausgestal tungen der Erfindung sind Gegenstand der weiterer
Unteransprüche 5 bis 11.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung de; Stellantriebs in einer Regelvorrichtung zur Regelung
einer Verfahrensregelgröße, wobei die Wärmebeauf schlagung des begrenzten Bereichs des Wärmeausdeh
nungsmediums gemäß einer Zeitmodulation in Abhän· gigkeit von dem Regelsignal der Regelvorrichtung
erfolgt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele dei Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in diesel
zeigen
F i g. 1 bis 4 jeweils Schaltbilder bzw. Teilschaltbildei
von Regelvorrichtungen unter Verwendung erfindungsgemäßer Wärmeausdehnungsstellantriebe, und zwar die
F i g. 1 bis 3 elektronische Regelvorrichtungen, F i g. A eine elektropneumatische Regelvorrichtung;
F i g. 5 bis 9 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wärmeausdehnungsstellantriebe mit näheren
konstruktiven Einzelheiten.
Bei den in den F i g. 1 bis 4 veranschaulichten und w. u näher beschriebenen Anwendungen von Stellantrieber
so in Regelanlagen sind die Stellantriebe jeweils schematisch veranschaulicht. So ist in F i g. 1 ein elektrothermischer
Stellantrieb 113 veranschaulicht, dessen teilweise
in das Wärmeausdehnungsmedium eingebetteter Kolben 114 in Abhängigkeit von der Beaufschlagung einer
Heizwicklung 112 mehr oder weniger aus dem Stellantrieb herausgedrückt wird und hierbei ein bei 116
angedeutetes Stellglied betätigt, bei dem es sich irr
gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Ventil einer Heizoder Kühlanlage handeln kann. Die Kolbenverschiebung
steuert gleichzeitig auch einen verstellbarer Abgriff an einem an einer Gleichspannungsquelle 117
liegenden Potentiometer 118 zur Beaufschlagung einer
als Ganzes mit 101 bezeichneten Rückführschaltung Eine mit dem Stellantrieb in Wärmeleitungsverbindung
stehende Halbleiteranordnung 115 dient als Strombegrenz, ervorrichtung dazu, eine Überhitzung des Stollantriebs
bei Dauereinschaltung zu vermeiden. Dies kann durch Verwendung eines Halbleiters 115 mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten gewährleistet werden, welcher sich an einem unterhalb des Gefahrenpegels
gewählten Punkt sprunghaft ändert. Ein Temperaturanstieg über diesen Gefahrenpunkt hinaus hat daher
einen scharfen Abfall der Strombeaufschlagung in der Heizwicklung 112 zur Folge. Das Zusammenwirken des
erfindungsgemäßen Stellantriebs 113 mit den übrigen Teilen der in F i g. 1 gezeigten Regelanlage zur
Erzielung einer stetigähnlichen Regelwirkung hoher Ansprechgeschwindigkeit trotz der Anwendung einer
einfachen Ein-/Aus-Regelung (Schalter 104 im Ausgang des Regelverstärkers 103) und trotz der Anwendung
eines Wärmeausdehnungsstellantriebs an sich hoher Eigenträgheit wird w.u. noch erläutert. Fig.2 veranschaulicht
eine Regelanlage mit zwei Wärmeausdehnungsstellantrieben 129, 130 (und zugeordneten Heizelementen
135 bzw. 134), die in Abhängigkeit vom Regel- bzw. Fehlersignal im Ausgang des Regelverstärkers
103 die aufeinanderfolgende Betätigung zweier als Stellglieder dienenden Heizventile bewirken. Bei der
besonders einfachen Regelvorrichtung nach Fig.3 dient ein erfindungsgemäßer Stellantrieb mit Kolben
212 und Heizelement 213 zur Betätigung eines als Stellglied dienenden Ventils 214. Bei der in Fig.4
gezeigten Regelvorrichtung ist im Teil B der Figur der Stellantrieb mit etwas näheren Einzelheiten gezeigt:
Das zylindrische Gehäuse 312 enthält das Wärmeausdehnungsmedium, beispielsweise Wachs, das sich unter
dem Einfluß der von einem Heizelement 313 erzeugten Wärme ausdehnt und einen Kolben 314 entgegen der
Federkraft einer Vorspannfeder 315 zur Betätigung eines Ventils 316 nach außen drückt. Eine Wärmebegrenzungsvorrichtung
317, beispielsweise ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten, verhindert
eine Überhitzung, falls der Stellantrieb in einem Raum mit einer sehr hohen Umgebungstemperatur arbeitet
und der Steuerstrom dauernd eingeschaltet bleibt. Der Kolben 314 betätigt gleichzeitig einen Schleifer 318
eines Potentiometers 319 zur Beaufschlagung einer Rückführung.
In den schematischen Darstellungen der vorstehend beschriebenen Beispiele ist die Heizvorrichtung (112;
134,135; 213; 313) jeweils im Inneren des Stellantriebs angeordnet. Diese Anordnung dient nur als Beispiel, da
in dieser Hinsicht auch andere Möglichkeiten bestehen. Beispielsweise kann das Heizelement außen um das das
wärmeausdehnungsfähige Material enthaltende Gehäuse gewickelt sein, oder es kann bei Verwendung eines
Wachses mit Leitfähigkeitszusatz auf eine gesonderte Heizwicklung ganz verziehet werden, vgl. F i g. 5.
In den F i g. 5 bis 9 sind weitere Ausführungsbeispiele mit näheren konstruktiven Einzelheiten gezeigt.
Im einzelnen zeigt F i g. 6 eine Konstruktion, bei welcher das wärmeausdehnungsfähige Material, beispielsweise
Wachs, einen elektrische Leitfähigkeit gewährleistenden Zusatz enthält, derart, daß kein
besonderes Heizelement benötigt wird. Als ein derartiger Zusatz kommen beispielsweise irgendeine Kohlenstoff-Form
oder gegebenenfalls ein Metallstaub in Frage. Das Außengehäuse 400 enthält das leitfähige
wärmeausdehnbare Material 406, welches auf den Kolben 401 wirkt. In das wärmeausdehnbare Medium
406 sind zwei starke Metallrohre 402 und 403 eingesetzt, welche durch Isolatorscheiben 412 und 413 aufweisende
Halterungsvorrichtungen in ihrer gewünschten Lage gehalten sind; die Isolierscheibe 412 ergibt gleichzeitig
eine Wärmeisolation zwischen einem Heizbereich 414 und einer Stopfbuchsendichtung 411. Die Stopfbuchse
411 wird durch die Außenluft gekühlt und dient als Führung für den Kolben 401. Der Bereich 414 bildet
daher einen begrenzten und abgegrenzten Bereich, derart, daß eine ausreichende Temperaturdifferenz
zwischen diesem Bereich und der Stopfbuchse 411 gewährleistet ist. Das Rohr 402 enthält eine isolierte
Widerstandsthermometerwicklung 404; dieses Widerstandsthermometer 404 bildet ein Alternativverfahren
zur Erzielung einer Rückführung zu den verschiedenen Reglertypen über eine Brücke 407; diese alternative
Methode könnte auch bei anderen Stellantriebkonstruktionen verwendet werden. Das Rohr 403 enthält eine
Strombegrenzervorrichtung 405 ähnlicher Art wie in der vorhergehenden Figur erwähnt. Die Leitungen von
den Kontakten 409 und 410 sind mit den Rohren 402 und 403 verbunden, welche so gleichzeitig als stromführende
Elektroden wirken. Die Kontakte 409 und 410 sind als Teile eines Zweipolschalters dargestellt; jedoch würde
auch ein einpoliger Schalter ausreichen. Mit 408 ist ein Transformator mit geerdeter Mittelanzapfung bezeichnet.
Bei Verwendung eines normalen, nicht leitfähig gemachten Wärmeausdehnungsmediums, als welches
eine beliebige Wachsart in Frage kommt, könnten bei einer Abwandlung dieser Ausführungsform die Rohre
402 und 403 zur Aufnahme isolierter Heizelemente verwendet werden, und zwar entweder in Verbindung
mit der gleichen oder einer herkömmlichen Rückführanordnung.
Die Fig.6A und 6B zeigen in Seitenansicht bzw. Draufsicht einen in Form eines Kreuzes ausgebildeten Stellantrieb, derart, daß eine größere Heizelementmasse untergebracht werden kann, für einen Stellantrieb, für welchen ein sehr schnelles Ansprechverhalten erforderlich ist und daher eine sehr rasche Aufheizung benötigt wird. Selbstverständlich können auch anderweitige Formgebungen gewählt werden, beispielsweise durch Fortlassung von drei Teilen eines Kreuzes, was zu einer Anordnung führt, bei welcher die Kolbenachse rechtwinklig zu einem einzigen Heizzylinder gerichtet ist.
Die Fig.6A und 6B zeigen in Seitenansicht bzw. Draufsicht einen in Form eines Kreuzes ausgebildeten Stellantrieb, derart, daß eine größere Heizelementmasse untergebracht werden kann, für einen Stellantrieb, für welchen ein sehr schnelles Ansprechverhalten erforderlich ist und daher eine sehr rasche Aufheizung benötigt wird. Selbstverständlich können auch anderweitige Formgebungen gewählt werden, beispielsweise durch Fortlassung von drei Teilen eines Kreuzes, was zu einer Anordnung führt, bei welcher die Kolbenachse rechtwinklig zu einem einzigen Heizzylinder gerichtet ist.
Der in Fig.6A und 6B gezeigte Stellantrieb mit
kreuzförmigem Querschnitt besitzt praktisch vier Arme 421 bis 424. Die Heizwicklung 425 besteht aus vier in
Reihe geschalteten Abschnitten jeweils in jedem der Arme des Stellantriebs. Der Kolben 426 ist im oberen
Teil 427 des Stellantriebs untergebracht. Man erkennt, daß infolge der Unterbringung der Heizwicklung 425 in
den vier getrennten Armen des Stellantriebs eine gute thermische· und elektrische Isolation zwischen der
Heizwicklung 425 und dem Kolben 426 erreicht wird.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Stellantriebe besteht darin, daß infolge der selbstdichtenden
Eigenschaften des Wärmeausdehnungsmediums, abgesehen von einer einfachen normalen Lagerbuchse, keine
besondere Abdichtung an der Stelle, wo der Kolben sich aus dem Gehäusekörper des Stellantriebs herauserstreckt,
erforderlich ist.
In Fig.6C ist eine Konstruktionsart gezeigt, die angewendet werden kann, um zu gewährleisten, daß die
Temperatur am kolbenseitigen Ende des Stellantriebs besonders niedrig gehalten wird. Wie ersichtlich ist das
Heizelement 430 des Stellantriebs 431 an dessen unterem Ende angeordnet, und das Oberteil des
Stellantriebs ist so ausgebildet, daß es einen Hals 432 bildet, in welchem der Kolben 433 angeordnet ist. Eine
von der Außenluft gekühlte Stopfbuchse 434 dient als Führung für den Kolben 433. Hierdurch wird gewährleistet,
daß das Wärmeausdehnungsmedium sein selbstabdichtendes Verhalten unter allen Temperaturbedingun-
gen, welche im Betrieb voraussichtlich auftreten können, behält. Ein Raum 435 zwischen dem Heizelement
430 und der Stopfbuchse 434 wirkt als der erwähnte lokalisierte Bereich, in welchem die hauptsächliche
Erwärmung und Ausdehnung des Mediums vor sich geht.
Das als Wärmeausdehnungsmedium in dem Gehäuse des Stellantriebs verwendete Wachs, welches sich beim
Erhitzen ausdehnt und flüssig wird, ist ein Poiyäthylenwachs. Es gibt Polyäthylenwachse, welche sich bei oder
oberhalb 85° C auszudehnen beginnen und die bis zu einer Maximaltemperatur zwischen 1300C und 2000C
erhitzt werden können. Wegen seiner guten Wärmeisolationseigenschaften kann das Wachs ferner lokal in
dem Bereich der Heizvorrichtung verflüssigt werden, während es in dem Bereich der Stopfbuchse, wo der
Kolben durch das Gehäuse des Stellantriebs geführt ist, im festen Zustand verbleibt. Ein besonders geeignetes
Wachs ist ein Polyäthylenwachs, das bei etwa 900C sich auszudehnen beginnt, bei etwa 1500C, wo es flüssig wird,
den größten Teil seiner Ausdehnung erreicht hat und unbegrenzt eine Temperatur von etwa 170° C verträgt.
F i g. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform des Stellantriebs, welche besonders einfache Verdrahtung
zwischen dem Meßfühler, dem Regler und dem Stellantrieb gestattet. Tatsächlich werden hierbei nur
jeweils zwei Drähte zwischen dem Meßfühler und dem Regler und nur zwei Drähte zwischen dem Regler und
dem Stellantrieb benötigt. Bei der in F i g. 7 gezeigten Regelvorrichtung dient als Meßfühler ein Widerstandsthermometer
510 in Reihe mit einem Gleichrichter 511. Diese Schaltungsteile sind Teil einer Wheatstone-Brükke,
welche durch die vier Eckpunkte A, B, C und F begrenzt ist. Weitere Brückenarme bestehen aus einem
Festwiderstand 512 und einem Gleichrichter 513, parallel zu einem Kontakt 514 und einem Gleichrichter
515, zwischen den Klemmen A und C, sowie aus einem Festwiderstand 516 und einem Gleichrichter 517
zwischen den Brückeneckpunkten Fund B. Der weitere Brückenarm zwischen den Eckpunkten B und C wird
von einem dem Stellantrieb zugeordneten Heizelement 518 und einem Gleichrichter 519 gebildet. Diese liegen
zwischen Klemmen D und £an dem Stellantrieb selbst. Parallel zu diesen Anschlußklemmen D und E an dem
Stellantrieb 520 liegt ein Widerstandsthermometer 521 und ein Gleichrichter 522. Das Widerstandsthermometer
521 mißt die Temperatur des Wärmeausdehnungsmediums des Stellantriebes; das Widerstandsthermometer
kann je nach dem Anwendungsfall und konstruktiven Erfordernissen innerhalb oder außerhalb des
wärmeausdehnungsfähigen Mediums angeordnet sein. Die Brückenpunkte A und B werden mit Wechselstrom
von den Anschlußklemmen C und H gespeist. Die Anschlüsse C und F sind mit dem Eingang eines
Verstärkers 523 des Reglers verbunden.
Die beschriebene Wheatstone-Brückenanordnung enthält somit sowohl eine normale Wheatstone-Brücke
mit dem Widerstandsthermometer 510 als Meßfühler bzw. Meßwertwandler zur Messung der zu regelnden
Temperatur als auch eine Rückführschaltung mit dem Widerstandsthermometer 521 im gegenüberliegenden
BrUckenzweig zur Erzeugung der Rückführung, derart, daß das resultierende BrUckensignal an den Anschlußklemmen
C und F abgenommen und dem Verstärker 523 des Reglers zugeführt wird. Jedoch ist der zur
Bildung des Fehlersignals (unter Berücksichtigung des Rückführsignals) dienende Teil der Brückenschaltungsanordnung
infolge der Gleichrichter 511, 513, 517 und 523 nur in der einen Halbperiode der von den
Anschlüssen G und H zugeführten Speisewechselspannung wirksam, während die Erregung der Heizvorrichtung
518 in Abhängigkeit von dem durch den Regelverstärker 523 gelieferten Regelsignal unter
Ausnutzung der anderen Halbwelle der Speisewechselspannung zwischen den Anschlußklemmen G und H
stattfindet. Indem durch diese Ausbildung des Heiz- und Rückführkreises des Stellantriebs und der zugeordneten
Regelvorrichtung abwechselnd die beiden entgegengesetzten Halbwellen einer üblichen Speisewechselspannung
zur Speisung sowohl der Eingangsbrückenanordnung als auch des Ausgangs desselben Verstärkers
ausgenutzt werden, wird erreicht, daß nur zwei Stromleiter, nämlich die Leiter 524 und 525 zwischen
dem Meßfühler und dem Regler, und nur zwei Leiter, nämlich die Leiter 526 und 527 zwischen dem Regler
und dem Stellantrieb benötigt werden. Der übrige Teil der Brücke zwischen den vier Brückenpunkten A, B, C
und F kann hierbei als Teil des Reglers konstruktiv mit diesem zusammengefaßt werden.
Bei dem in den Fig. 8A und 8B gezeigten Wärmeausdehnungsstellantrieb drückt das sich ausdehnende
Medium 619 den Kolben 601 heraus, wenn ihm Wärme gemäß den Steuerbefehlen eines angeschlossenen
äußeren Reglers zugeführt wird. Hört die Wärmezufuhr auf, so zieht sich das Wärmeausdehnungsmedium
619 zusammen, und der Kolben 601 wird unter der Wirkung einer Federvorspannung zurückgestellt.
Für einen wirksamen, zuverlässigen Betrieb ist es wesentlich, einen wirksamen Wärmeübergang von dem
Heizelement auf das Wärmeausdehnungsmedium zu gewährleisten. Bei der in den F i g. 8A und 8B gezeigten
Ausführungsform sind in den Hauptkörper 600 des Stellantriebs Rohre 602, 603, 604 und 605 eingesetzt;
zwischen den Rohren verbleibt ein Mittelraum 655, welcher den genannten lokalisierten, begrenzten Bereich
intensiver Erhitzung bildet. Im Inneren dieser Rohre sind Heizelemente angeordnet, die von beliebiger
Art sein können, wie beispielsweise Widerstandsdraht, Kohlenstoff usw. Die Leitungsverbindung von der
Außenseite des Rohrs her kann am stirnseitigen Ende der Rohre durch eine geeignete Dichtung hindurch
erfolgen. Diese Ausführung mit innerer Heizung für das wärmeausdehnfähige Medium in dem Stellantrieb
gewährleistet einen unmittelbaren Wärmeübergang auf das wärmeausdehnfähige Medium 619 und daher ein
sehr schnelles Ansprechverhalten. In dem gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel sind die Heizrohre
vertikal in Längsrichtung des Stellantrieb-Gehäusekörpers angeordnet. Jedoch ist auch die Verwendung von in
horizontaler Richtung über die Breite des Stellantrieb-Gehäusekörpers angeordneten Heizrohren möglich.
Wie erwähnt ist es ferner auch möglich eine Heizvorrichtung zu verwenden, bei welcher das
Heizelement an der Außenseite des Stellantrieb-Gehäusekörpers befestigt und außen um diesen gewickelt ist.
Umgekehrt ist es sehr wesentlich, den Wärmeübergang zwischen dem Heizelement oder dem Hauptgehäusekörper
des Stellantriebs einerseits und dem Kolben 601 andererseits zu verhindern bzw. weitgehend
zu verringern, der außerhalb mit einem Stellglied wie beispielsweise einem Ventil verbunden ist. Ein weiteres
Problem besteht darin, an einer den Kolben 601 führenden Stopfbuchse bzw. einem Lager eine wirksame
Abdichtung zu gewährleisten, derart, daß ein Austritt des wärmeausdehnungsfähigen Materials 619
verhindert wird.
Zu diesem Zweck ist das Oberteil des Stellantriebs mit einer Dichtungskappe 606 verschlossen, durch deren
Mitte der Kolben 601 hindurchtreten kann, ohne daß die Dichtungskappe 606 in direkte Berührung mit dem
Kolben 601 gelangt. In der Zeichnung ist ein Spalt zwischen dem Kolben und dem Körper der Stirnkappe
606 gezeigt. Mit der Innenseite der Dichtungskappe ist bereits eine Anzahl von Dichtungsringen verschraubt,
welche einen Austritt des wärmeausdehnungsfähigen Materials 619 wirksam verhindern. Diese Dichtungsringe
können in verschiedenartiger Weise angeordnet sein; ein Beispiel hierfür ist in Fig.9A gezeigt. Metallringe
607, 608 und 609 dienen dazu, der Anordnung mechanische Festigkeit zu verleihen. Zwischen diesen
Ringen sind Ringe aus isolierendem Material 611, 612,
613,614 und 620 angeordnet, die bis zu einem gewissen Grad zusammendrückbar sind. Die Anordnung umfaßt
auch einen zentralen Lagerring 610, der selbstschmierend ausgebildet sein kann. Man erkennt, daß die Ringe
aus isolierendem Material so ausgebildet und angeordnet sind, daß kein Wärmeübergang zwischen dem
Gehäusehauptkörper 600 oder der Dichtungskappe 606 des Stellantriebs und dem Lager 610 oder dem Kolben
601 stattfinden kann. Wesentlich ist bei dieser Konstruktion, daß — unabhängig von der Art der
jeweiligen Dichtungsmaßnahmen — dieser Wärmeübergang vermieden wird, da andernfalls der Stellantrieb
nicht mehr wirksam arbeiten kann. Dieser Gesichtspunkt ist von besonderer Bedeutung, falls eine
äußere Heizung verwendet wird. Um zu verhindern, daß zuviel Wärme von den Heizelementen über die sie
enthaltenden Rohre 602, 603, 604 und 605 übertragen wird, besitzen die beiden im Aufriß gezeigten Rohre
isolierende Ringscheiben 615 und 617 zusammen mit einem Kern 616, derart, daß ein Wärmeübergang
zwischen den Röhren und dem Gehäusehauptkörper 600 vermieden wird. Die Rohre sind in einfacher Weise
mittels Schrauben 618 und 621 befestigt. Zur Begrenzung der Maximaltemperatur, welche die Heizrohre
annehmen, können Temperaturmeßvorrichtungen zwisehen den Isolierscheiben 617 und den Schraubmuttern
618, wo die Temperatur genau gemessen werden kann, eingeklemmt werden. Nach einer abgewandelten
Ausführung ist es auch möglich, die Heizrohre sowie den Hauptgehäusekörper des Stellantriebs über einen «
längeren Abschnitt mit Gewinde zu versehen, derart, daß die Rohre direkt in den Gehäusekörper eingeschraubt
werden.
Bei der in den F i g. 8A und 8B gezeigten Ausführung dienen die Rohre zur Aufnahme von Heizvorrichtungen
in ihrem Inneren; jedoch kann auch eine ähnliche Anordnung vorgesehen werden, wobei eines oder
mehrere der Rohre direkt als Elektroden wirken. Eines der Rohre kann auch im Inneren entweder eine
Strombegrenzervorrichtung oder irgendein anderweitiges Temperaturmeßelement wie beispielsweise ein
Widerstandsthermometer, enthalten.
In F i g. 9 ist ein nach dem in F i g. 6C veranschaulichten
Prinzip aufgebauter Stellantrieb mit näheren Einzelheiten dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist
nur der obere Teil des Stellantriebs schattiert. Der Gehäusekörper des Stellantriebs besteht aus zwei
Teilen 630 und 631, die miteinander verschraubt sind. Beide Teile enthalten das für alle diese beschriebenen
Stellantriebe verwendete Wärmeausdehnungsmedium, bs beispielsweise Wachs; wie ersichtlich, ist jedoch der
Innenquerschnitt in dem Bereich 632 wesentlich kleiner als in dem unteren Teil 630 des Stellantriebs. Dies
entspricht dem in Fig. 6C veranschaulichten Prinzip. Der Oberteil 631 ist mit Kühlrippen 635 versehen, die
dazu beitragen, den Bereich um die Stopfbuchse 633 herum, durch welche der Kolben 657 geführt ist, so kühl
als möglich zu halten, derart, daß diis Wärineausdehnungsmedium
in diesem Bereich eine gewisse feste Konsistenz behält und so daran gehindert wird, aus dem
Gehäuse auszutreten. Der untere Bereich des Unterteils 630 ist mit einer Heizwicklung 634 des Heizelements
umwickelt, derart, daß die Hauptmasse 656 des in dem unteren Teil des Stellantriebs 630 enthaltenen Wachses
den erwähnten lokalisierten begrenzten Bereich bildet, in welchem das Wachs intensiv erhitzt und verflüssigt
wird. Diese Art der äußeren Heizung wurde bereits oben erwähnt. Jedoch könnte alternativ auch eine
Innenheizung mittels einer am unteren Ende des Stellantriebs eingeführten Elektrode Anwendung finden,
mittels welcher Strom durch ein leitfähiges Wärmeausdehnungsmalerial geleitet wird, wobei der
Strom emtweder zu einer zweiten Elektrode oder zu einer Anschlußklemme am Stellantriebsgehäuse direkt
fließt und das Gehäuse somit als Sammelelektrode dient. Des weiteren könnte die Konstruktion auch so
abgeändert werden, daß an dem Abdichtende des Stellantriebs eine Abdichtung nach Art der in den
F i g. 8A und 8B gezeigten vorgesehen wird.
Jeder der vorstehend beschriebenen Stellantriebe kann, wie nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 4 an
Beispielen erläutert, in Verbindung mit Reglern verwendet werden, welche P-Verhalten, !-Verhalten
oder D-Verhalten oder eine beliebige Kombination hiervon besitzen. Es sei auch betont, daß statt
elektronischer Regler jeder beliebige andere Typ eines Zeitmodulators zur Steuerung der Heizleistungszufuhr
zu den Stellantrieben verwendet werden kann, beispielsweise ein einfacher Bimetall-Raumthermostat oder ein
pneumatischer Regler mit elektromechanischen Wandler im Ausgang. Des weiteren könnten zur Erzielung des
Zeitmodulationsverhaltens die Regler zusammen mit ihren Rückführschaltungen auch durch einen gemäß den
Erfordernissen der Anlage programmierten Computer ersetzt werden.
Im folgenden werden anhand der Fig. 1 bis 4 Anwendungsfälle erfindungsgemäßer Stellantriebe in
Verfahrensregelstrecken, beispielsweise Raum- bzw. Gebäude-Temperaturregelanlagen erläutert, zur Veranschaulichung
des mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Stellantrieben erzielbaren vorteilhaften Regelverhaltens,
insbesondere der verhältnismäßig hohen Regelgeschwindigkeit trotz der den Wärmeausdehnungsstellantrieben
von Haus aus innewohnenden hohen Eigenträgheit, bei hoher Betriebszuverlässigkeit.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Regelvorrichtung wird bei 100 über einen Widerstand 102 ein Fehler- bzw.
Regelabweichsignal einem Regelverstärker 103 zugeführt, und zwar in Kombination mit Rückführgrößen, die
von zwei »inneren« vom Ausgang des Verstärkers 103 beaufschlagten Rückführzweigen 105 bis 108 bzw. 109,
110 und einem als Ganzes mit 101 bezeichneten, in Abhängigkeit von der Verstellung des Stellantriebs 113,
114 beaufschlagten dritten Rückführzweig erzeugt werden. Der erste »innere Rückführzweig« weist zwei
KC-Giieder 107,105 bzw. 106, 108 zur Einführung einer
D- bzw. einer !-Komponente in das Regelsignal auf und ist als negativer RUckführzweig geschaltet, derart, daß
man im Ausgang des Verstärkers 103 ein PID-Ausgungssignal
erhält. Der zweite »innere« Rückführzweig in Form eines ftC-ParallelschalttinesElicdes 109. HO ist
als positiver Ruckführzweig ausgebildet und dient zur
Erzielung einer maximalen Ausgangsgröße des Verstärkers bereits kurze Zeit nach Anlegen eines verhältnismäßig
kleinen Fehler- bzw. Regelabweichsignals an den Eingangsklemmen 100. Diesem durch den positiver
Riickführzweig 109, 110 bewirkten instabilen Betriebszustand,
in welchem der Verstärker eine maximale Ausgangsgröße bereits kurzzeitig nach Anliegen eines
kleinen Fehlersignals erzeugt, wirkt die negative Rückführung 105 bis 108 entgegen, derart, daß infolge
der stetig zunehmenden negativen Rückführspannung das Gesamtsystem mit einer stufenartigen Stromänderung
in den entgegengesetzten Zustand zurückkehrt, in welchem die Ausgangsgröße des Verstärkers im
wesentlichen auf Null geht. Die Verstärkerausgangsgröße wird daher im wesentlichen zwischen einem
Minimalwert oder Null und einem Maximalwert hin und her geschallet, wobei die Frequenz dieser Schwingungen
im wesentlichen durch die RC- Werte der Rückführung 105,107 bestimmt wird. Innerhalb dieser durch die
Schaltfrequenz bestimmten Umschaltperioden werden die Ein- bzw. Aus-Anteile der Ausgangsgröße im Sinn
einer Zeitmodulation in Abhängigkeit vom Betrag des Fehler- bzw. Regelabweich-Eingangssignals moduliert.
Über einen mit der Ausgangsgröße des Regelverstärkers 103 beaufschlagten Schalter 104, bei dem es sich
entweder um eine Halbleitervorrichtung oder um ein elektromechanisches Relais handeln kann, erfolgt die
intermittierende Beaufschlagung der Heizwicklung 112
des Stellantriebs 113 mit einer bei 111 zugeführten Heizspannung. Die Werte der Schaltbauteile in der
negativen Rückführung sind dabei so gewählt, daß sie mit einem extrem kleinen Proportionalband arbeitet,
das keinerlei Beziehung zur Übergangsfunktion der Anlage bzw. Verfahrensregelstrecke besitzt, deren
Zustand du.xh eine Stellungsänderung des als Stellglied dienenden Ventils 116 verändert wird. Dieses kleine
Proportionalband ist so gewählt, daß die Länge der in den Wärmestellantrieb eingeführten EIN-Impulse sich
mit einer verhältnismäßig kleinen Änderung des gemessenen Wertes ändert, d. h., daß schon für eine
kleine Änderung der Eingangsgröße der Stellantrieb entweder vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet
ist. Mit anderen Worten: Die charakteristischen Eigenschaften des Reglers werden in Abhängigkeit von
der Übergangsfunktion des elektrothermischen Stellantriebs so gewählt, daß man ein schnelles Ansprechverhalten
erzielt.
Die von dem elektrothermischen Wärmeausdehnungsstellantrieb betätigte dritte Rückführschaltung
101, welche aus einer Gleichstromquelle 117 gespeist und durch von dem Stellantrieb gesteuerte Betätigung
eines Potentiometers 118 verstellt wird, weist ein RC-GWed 120,119 zur Erzeugung einer dem Differential
der Regelwirkung entsprechenden Rückführgröße sowie ein /?C-Glied 122, 121 zur Erzeugung eines dem
Integral der durch den Stellantrieb hervorgerufenen Regelwirkung entsprechenden Terms auf. Diese dritte
Rückführschaltung 101 ist in Abhängigkeit von der Übergangsfunktion der Anlage ausgelegt; die kombinierte
Wirkung der drei Rückführungen besteht darin, daß man eine Regelwirkung erhält, welche trotz der
einem elektrothermischen Wärmeausdehnungsstellantrieb von Haus aus innewohnenden langzeitig verzögerten
Wirkungsweise mit der gleichen Geschwindigkeit wie ein anderweitiger, aufwendigerer, ansonsten für
derartige Zwecke verwendeter Stellantrieb arbeitet.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Regelvorrichtung nach F i g. 1 sei angenommen, daß d< Regelpunkt und der Einstellpunkt identisch sind. Es si ferner angenommen, daß die Hauptregelschleife m einem Proportionalband von 5°C arbeiten soll und dal das Proportionalband der negativen Rückführung de zeitmodulierten Elemente des Verstärkers 103 0,1° beträgt. Schließlich sei angenommen, daß der Vent Stellantrieb 113 halb geöffnet ist und daß dies durch ein Wärmezufuhr erreicht wird, welche 50% der maximale kontinuierlichen Heizwirkung beträgt, wie sie sie ergibt, wenn der Schalter 104 kontinuierlich geschlosse: ist. Mit anderen Worten wird unter diesen Bedingunge; ein Schaltzyklus mit 50% Einschaltdauer und 50°/i Ausschaltdauer aufrechterhalten. Tritt nun ein Fehle bzw. eine Regelabweichung von 0,03° C auf, so steigt de Äusgangsstrom auf 75% der vollen Ausgangsgröße a Dies hat eine rasche Betätigung des Kolbens 114 zu Folge; die Verstellung des Potentiometerabgriffs Hi erzeugt dabei ein Proportionalsignal, das sofort derr Fehler entgegenwirkt, und der Stellantrieb wird eins neue stabile Stellung einnehmen. Erfolgt der Fehler bzw die Regelabweichung in der anderen Richtung, d. h., sol die Energiezufuhr zu dem Stellantrieb verringer werden, so tritt die gleiche Wirkung ein, jedoch win insbesondere wenn der Stellantrieb bei einer hohei Temperatur betätigt wird, die Kühlung rasch und nich langsamer als der Heizeffekt wirksam.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Regelvorrichtung nach F i g. 1 sei angenommen, daß d< Regelpunkt und der Einstellpunkt identisch sind. Es si ferner angenommen, daß die Hauptregelschleife m einem Proportionalband von 5°C arbeiten soll und dal das Proportionalband der negativen Rückführung de zeitmodulierten Elemente des Verstärkers 103 0,1° beträgt. Schließlich sei angenommen, daß der Vent Stellantrieb 113 halb geöffnet ist und daß dies durch ein Wärmezufuhr erreicht wird, welche 50% der maximale kontinuierlichen Heizwirkung beträgt, wie sie sie ergibt, wenn der Schalter 104 kontinuierlich geschlosse: ist. Mit anderen Worten wird unter diesen Bedingunge; ein Schaltzyklus mit 50% Einschaltdauer und 50°/i Ausschaltdauer aufrechterhalten. Tritt nun ein Fehle bzw. eine Regelabweichung von 0,03° C auf, so steigt de Äusgangsstrom auf 75% der vollen Ausgangsgröße a Dies hat eine rasche Betätigung des Kolbens 114 zu Folge; die Verstellung des Potentiometerabgriffs Hi erzeugt dabei ein Proportionalsignal, das sofort derr Fehler entgegenwirkt, und der Stellantrieb wird eins neue stabile Stellung einnehmen. Erfolgt der Fehler bzw die Regelabweichung in der anderen Richtung, d. h., sol die Energiezufuhr zu dem Stellantrieb verringer werden, so tritt die gleiche Wirkung ein, jedoch win insbesondere wenn der Stellantrieb bei einer hohei Temperatur betätigt wird, die Kühlung rasch und nich langsamer als der Heizeffekt wirksam.
F i g. 2 veranschaulicht eine in ähnlicher Weise wie ir F i g. 1 ausgebildete Regelvorrichtung zur aufeinander
folgenden Betätigung zweier Stellantriebe 129 und 130 Bei der Schaltung nach F i g. 2 ist gegenüber der F i g.
der den 1-Term bewirkende Kondensator 108 in de »inneren« Rückführung fortgelassen, da der 1-Effek
häufig entbehrlich ist. Der Schalter 104 aus F i g. 1 ist ii
F i g. 2 als elektromechanischer Schalter 123 ausgebi det. Der Kondensator 121 der dritten Rückführscha
tung kann durch einen von Hand betätigbaren Schalte!
124 kurzgeschlossen sein, da die Einführung eine; Proportionalbandes in Heizungsanlagen häufig zui
Brennstoffeinsparung nützlich ist Im übrigen entsprich die Schaltung von F i g. 2 grundsätzlich der nach F i g.
mit dem Unterschied, daß in F i g. 2 zwei Potentiometei
125 und 126 je eine Rückführspannung abgeben, wöbe
diese beiden Rückführspannungen mittels der Wider stände 127,128 und 143 addiert werden. Der Widerstan
128 ist ein Potentiometer, dessen beweglicher Abgrif über den Widerstand 143 mit der Ausgangsseite de:
Widerstandes 127 verbunden ist. Die Rückführwirkun des Stellantriebs 129, welcher den beweglicher. Abgrif
des Potentiometers 125 betätigt, kann durch Änderun, der Stellung des Abgriffs des Potentiometers 12i
herabgesetzt werden.
Die in F i g. 2 gezeigte Regelvorrichtung dient zui Regelung einer Heizungsanlage durch aufeinanderfol
gende Betätigung zweier Heizventile. Der Stellantrie 130 betätigt die Stufe Nr. 1: er ist normalerweis
geschlossen, wenn er keine elektrische Energie züge führt erhält. Der Stellantrieb 129 dient zur Betätigunj
der Heizstufe Nr. 2; auch dieser Stellantrieb ist von normalerweise geschlossenen Typ. Ein Hilfsschalter 13
schließt, sobald der Stellantrieb 130 seire voll Öffnungsstellung erreicht; ein Hilfsschalter 132 wire
umgeschaltet, sobald der Stellantrieb 129 sich zu öffne beginnt. Die von den beiden Stellantrieben erzeugte
Rückführspannungen werden stetig übergehend nach einander wirksam, je nach dem zugehörigen eigenei
Proportionalband. Das Proportionalband des Stellan triebs 129 wird in dem Hauptregler eingestellt, und da
I'n.'portionuiband des .Stellantriebs 130 ist ein Teil
hiervon je nach der Stellung des Abgriffs des Potentiometers 128.
I i g. 3 y.cigt die Anwendung eines Stellantriebs in
einer Regelvorrichtung besonderer Einfachheit. Eine Wheatstonc-Urücke 200 liefert ein Fehler- bzw.
Regelabweichsignal an dcx Verstärker 201; es sei
jedoch betont, daß anstelle der Wheatstone-Brücke selbstverständlich jeder beliebige anderweitige Fehlerb/w.
Regelabweichsignaleingang verwendet werden kann und daß die zu überwachende physikalische Größe
nicht die Temperatur zu sein braucht, sondern eine beliebige anderweitige physikalische Größe, beispielsweise
die Feuchtigkeit oder die Stellung eines anderen Ventils sein kann. Im Gegensatz zu den Reglern gemäß
den Fig. 1 und 2 wird jedoch bei den Reglern gemäß F i g. 3 ein Wechselstromeingangssignal in ein stetiges
Gleiehstromausgangssignal umgewandelt, welches eine Proportional-, Proportional-Integral-(PI-) oder ProportionaI-Integral-Differential-(PID-)komponente
aufweist. Vorrichtungen dieser Art sind an sich bekannt, und die Wheatstone-Brücke 200 könnte überdies statt
mit Wechselstrom auch mit Gleichstrom gespeist werden. In Verbindung mit Fig. 1 wurde erwähnt, daß
der Regler eine Schleife enthält, welche mit einer sehr schmalen Proportionalzone arbeitet. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel nach Fig.3 wird dies durch eine Wicklung 202 erreicht, welche auf einem
Zungenrelaisrohr 203 angeordnet ist. Dieses Zungenrelaisrohr ist ferner mit einer zweiten Wicklung 204
versehen, wobei beide Wicklungen 202 und 204 mit Gleichstrom betrieben werden. Zur Speisung der
Wicklung 204 aus einer Wechselstromquelle dient ein Gleichrichter 205; die Ausgangsgröße des Verstärkers
201 hingegen ist von Haus aus eine Gleichstromgröße. In Reihe mit der Wicklung 202 liegt ein Potentiometer
206, welches einen Schleifabgriff 207 und einen Abfallbzw. Abschaltkontakt 208 aufweist. Das Potentiometer
206 wird aus einer Gleichstromquelle 209 gespeist. Eine andere Leitung verbindet die zweite Wicklung 204 mit
einem Reihenwiderstand 210 und einer Verzögerungsvorrichtung 211. Wird die Verzögerungsvorrichtung 211
an eine geeignete Spannung gelegt, so ist der Stromfluß durch die Verzögerungsvorrichtung anfänglich sehr
nied.-ig, nimmt jedoch mit ansteigender Erwärmung zu, derart, Jaß nach einiger Zeit ein wesentlich größerer
Snom fließen kann.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Reglers sei angenommen, daß die Brücke 200
sich im nicht abgeglichenem Zustand befindet und die Temperatur beispielsweise unterhalb dem Einstellpunkt
liegt; hierdurch wird ein Ausgangsstrom erzeugt, der beispielsweise eine Proportionalfunktion des Fehlers
bzw. der Regelabweichung ist. Durch die Wicklung 202 fließt dann ein Strom, welcher die Wicklung 202 erregt
und die Schließung des Kontakts des Zungenrelais 203 bewirkt, wodurch das Heizelement eines Stellantriebs
213 mit Strom aus einer Hauptstromquelle gespeist wird, derart, daß der Stellantrieb ein Ventil 214 öffnet.
Gleichzeitig wird durch die Schließung des Zungenre- t>o
laiskontakts 203 ein Stromfluß durch die Wicklung 204 über den Gleichrichter 205 und durch den Widerstand
210 und die Verzögerungsvorrichtung 211 hervorgerufen.
Diese Erregung der Wicklung 204 wirkt dem Effekt der Wicklung 202 entgegen. Hierdurch wird eine stetige ^
Schwingung des Zungenrelais 203 hervorgerufen: je nach den Kenngrößen des Zungenrelais und der
anderen Schaltungsbauteile, die so gewählt sind, daß sich eine Periodendauer mit einer so hohen Frequenz
ergibt, daß man eine stetige Auswirkung auf den Stellantrieb 213 erhält, ergibt der Regler in Verbindung
mit dem Stellantrieb so eine stetig-glatte, zeitmodulierte Ausgangswirkuiig. Eine Verstellung des Kolbens 212 hai
eine Verschiebung des Abgriffs 207 des Potentiometers 206 zur Erzeugung einer negativen Rückführung für den
Verstärker 201 zur Folge. Das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer des Stromflusses
durch die Heizvorrichtung des Stellantriebs 213 ändert sich dabei in Abhängigkeit von dem Fehler- bzw.
Regelabweichsignal.
Wie in Verbindung mit den drei vorhergehenden Regelvorrichtungen beschrieben, müssen wenigstens
zwei einander überlagerte Rückführungen verwendet werden, falls eine hohe Stellgeschwindigkeit gefordert
wird, wobei die erste Rückführung eine EIN-/AUS-Schaltung aufweist, in welcher sich das Verhältnis von
EIN- und AUS-Zeit mit dem Fehler- bzw. Regelabweichsignal ändert, sowie ein kleines Proportionalband,
das nach Maßgabe der Eigenschaften des Stellantriebs und nicht der zu regelnden Anlage ausgelegt ist. Die
zweite Rückführung, welche eine Funktion der jeweiligen Stellantriebsstellung ist, wird dann nach Maßgabe
der Übergangsfunktion der Anlage ausgelegt. Es gibt jedoch Fälle, wo die beschriebenen Stellantriebe in einer
Anlage verwendet werden, die sehr langsam betätigt werden kann, wie beispielsweise in Raumheizungs-Anwendungsfällen.
In diesem Fall kann jede beliebige Art eines Zeitmodulations-Reglers, wie beispielsweise ein
Bimetall-Thermostat mit Beschleuniger, erfolgreich verwendet werden, wobei jedoch dann das Proportionalband
des zeitmodulierten Reglers nach Maßgabe der Eigenschaften der Anlage gewählt werden muß.
F i g. 4 zeigt die Anwendung des Stellantriebs in einer durch Dampfdruckausdehnung betätigten, elektropneumatischen
Regiervorrichtung, wobei der Teil A der Figur den Regler umfaßt und der bereits eingangs
beschriebene Teil B den Stellantrieb. Der Regler besteht aus einem um eine Achse 300 beweglichen Hebelsystem,
das in mechanischer Verbindung mit einem Balgen 301, einer Feder 302 und einem Schalter 303 steht, dessen
Kontakte 304 als Umschalterkontakte arbeiten. Während der Kontakt mit dem horizontalen Teil des Hebels
verbunden ist, wird der vertikale Teil des Hebels 305 durch die Feder 302 beeinflußt, deren Einstellung mittels
eines Knopfes 306 veränderbar ist. Der Balgen 301 ist an seiner in der Zeichnung linken Stirnseite fixiert und wird
durch drei Heizelemente 307, 308 und 309 beeinflußt, deren jedes eine kleine, elektrisch erzeugte Wärmemenge
zuführen kann, welche, wie noch gezeigt wird, zur Herbeiführung der erforderlichen Wirkungen ausreicht.
Ein Widerstand 310 kann mittels eines Knopfes 311 eingestellt werden. Klemmen a bis f dienen zum
Anschluß verschiedener Leitungen. Die Klemmen eund /dienen zur Reserve, und das Heizelement 308 wird in
dem vorliegenden Regler nicht verwendet. Der Stellantrieb 312 des Systems ist in dem bereits eingangs
beschriebenen Teil B der Figur gezeigt.
Die Wirkungsweise des in Fig.4 gezeigten Reglers
unter Einbeziehung des Stellantriebs 315 (Teil B von Fig.4) verläuft wie folgt: Der Balgen 301 ist der
Temperatur des Raums, die geregelt werden soll, ausgesetzt und mit einem Gas oder Dampf gefüllt,
derart, daß ein Anstieg der Raumtemperatur eine Ausdehnung des Balgen, und entsprechend ein Absinken
der Raumtemperatur eine Zusammenziehung des Balgen zur Folge hat. So wird sich beispielsweise unter
dem Einfluß einer absinkenden Temperatur der Balgen zusammenziehen, wodurch der Schalter 303 betütigi
wird, derart, daß der Kontakt 304 seine untere Stellung einnimmt, in welcher er eine stromführende Anschlußklemme
c mit der Klemme d verbindet und so einen Stromkreis über die Wärmebegrenzungsvorrichlung
317 und das Heizelement 313 des Stellantriebs 312 zurück zu der Anschlußklemme a schließt. Gleichzeitig
wird dem Heizelement 309 Strom zugeführt, das somit den Dampf innerhalb des Balgen 301 zu erwärmen
beginnt. Das Heizelement 309 benötigt nur eine sehr geringe Leistung. Hierdurch wird der Balgen ausgedehnt
und der Kontakt 304 des Schalters 303 in seine in der Zeichnung gezeigte Stellung zurückgebracht.
Sobald das Heizelement 309 abgeschaltet ist, beginnt der Balgen 301 sich wieder abzukühlen, und der Kontakt
304 des Schalters 303 kehrt wieder in die untere Stellung zurück, in welcher die Klemmen cund ^miteinander wie
zuvor verbunden sind. Der Schalter 303 kann sehr empfindlich gemacht werden, und in der Praxis kann die
Ausführung auch so getroffen werden, daß er den Kontakt 304 indirekt unter Verwendung eines Zungenrelais
betätigt. Diesem Konstruktionsmerkmal kann eine erhebliche Bedeutung zukommen, da die Schwingungsfrequenz
des Kontakts 304 ziemlich groß gehalten werden sollte, beispielsweise zwischen 20 Sekunden und
2 Minuten, und insbesondere in privaten Wohnhäusern die Störung des Radioempfangs durch eine derartige
häufige Umschaltung äußerst unerwünschte Auswirkungen haben kann, falls der zu schaltende Strom einen
nennenswerten Betrag besitzt.
Neben den beschriebenen Wirkungen wird der von dem Stellantriebskolben 314 benötigte Rückführ-Schleifkontakt
318 entlang dem Potentiometer 319 verstellt und ändert hierbei die Heizleistungszufuhr zu
dem Rückführ-Heizelement 307, das daher kontinuierlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des
Stellantriebs erregt wird. Auf diese Weise kann der in den früheren Beispielen auf elektronischem Wege
erreichte Effekt auch mit mechanischen Mitteln er/ielt
werden, die in der Massenherstellung wesentlich billiger a's elektronische Vorrichtungen sind. Der Balgen 301
kann so ausgebildet werden, daß er auf geringfügige Temperaturänderungen anspricht; infolge des Umstands,
daß die inneren Heizelemente nur den Dampf im Inneren des Balgens aufzuheizen brauchen und andererseits
der Dampf seinen Wärmeinhalt sehr schnell über die Wandungen des Balgens 301 verliert, läßt sich eine
zufriedenstellende zyklische Modulations- und Rückführwirkung erzielen.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß zwar bei dem mechanischen bzw. elektropneumatisehcn Regler gemäß
Fig.4 vorzugsweise Balgen als tcmperalurempfindliche
Elemente für Meß- und/oder Regelzwecke verwendet werden; jedoch können anstelle des gezeigten
Balgensystems auch Bimetall- oder Polymetall· Vorrichtungen, welche bei Temperaturänderungen eine
Verstellung ergeben, als Meßfühler und/oder Regler verwendet werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Wärmeausdehnungs-Stellantrieb für eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Verfahrensgröße,
mit einem in einem Gehäuse eingeschlossenen Wärmeausdehnungsmedium, insbesondere einem
wärmeausdehnbaren Wachs, das aus einem normalerweise im wesentlichen festen Zustand durch
Wärmezufuhr unter Wärmeausdehnung in einen im wesentlichen flüssigen bzw. zähflüssigen Zustand
überführbar ist, mit einem innerhalb des Gehäuses in das Wärmeausdehnungsmedium eingebetteten,
durch eine Gehäuseöffnung teilweise nach außen ragenden und verschieblich geführten Antriebsglied
zur Betätigung eines Stellgliedes, mit einer Stopfbuchsendichtung zur dichtschließenden Führung des
Antriebselements in der Gehäuseöffnung, mit einer Vorspanneinrichtung, welche das Antriebselement
in seine eingezogene Stellung vorspannt, sowie mit vorzugsweise elektrischen Heizvorrichtungen zur
Wärmebeaufschlagung des Stellantriebs in Abhängigkeit von einem Regelsignal der Regelvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr an einen begrenzten, in Abstand von der
Stopfbuchsendichtung gelegenen Bereich der Gesamtmasse des Wärmeausdehnungsmediums erfolgt,
derart, daß eine hinreichend hohe Temperaturdifferenz zwischen dem durch die Heizvorrichtung
erwärmten begrenzten Bereich und der Stopfbuchsendichtung des Stellantriebsgehäuses aufrechterhalten
und das Wärmeausdehnungsmedium im Bereich der Stopfbuchsendichtung in seinem im wesentlichen festen Zustand gehalten wird.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeausdehnungsmedium aus
einem Wachs besteht, welches sich bei oder oberhalb 700C auszudehnen beginnt und bis zu einer
Maximaltemperatur im Bereich zwischen 130°C und 250° C erhitzt werden kann.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines wärmeausdehnungsfähigen
Mediums, das sich bei etwa 90° C auszudehnen beginnt, den größten Teil seiner Ausdehnung bei
etwa 150°C erreicht hat und eine Temperatur von 155°C bis 175°C ohne Gefahr der Zersetzung
aushält.
4. Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeausdehnbare Medium
aus einem Polyäthylenwachs besteht.
5. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der als Führung für das Betätigungsglied des Stellantriebs und als Abdichtung
dienenden Stopfbuchse (411, Fig.6 und 7A; 434, F i g. 7C; 635, F i g. 10) zur zusätzlichen Kühlung
in Wärmeleitungsverbindung mit der Außenluft steht.
6. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizvorrichtung von der Stopfbuchse durch einen Bereich innerhalb des Stellantriebs
getrennt ist, welcher vollständig mit einem einen guten Wärmeisolator darstellenden Wärmeausdehnungsmedium
erfüllt ist, derart, daß dieser Bereich eine wirksame Wärmeisolation zwischen den beiden
Teilen (425 bzw. 411, F i g. 7A;430 bzw. 434, F i g. 7C;
602-5 bzw. 610, Fig.9A; 634 bzw. 635, Fig. 10)
bildet.
7. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Heizvorrichtung enthaltende Gehäuseteil (d.h. der Heizbereich 414, Fig.7A) in
einem Winkel gegenüber dem die Stopfbuchse (411,
F i g. 7A) und Kolben (426, F i g. 7A) enthaltenden Gehäuseteil (427, F i g. 7 A) angeordnet ist
8. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heizvorrichtungen (425, 7A) in Teilen (421 bis 424,
F i g. 7B) des Stellantriebsgehäuses angeordnet sind, welche von dem den Kolben (426, Fig.7A)
enthaltenden Teil (427, F i g. 7A) des Stellantriebsgehäuses hervorspringend ausgebildet sind.
9. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellantriebsgehäuse in dem den Kolben (433, F i g. 7C; 657, F i g. 10a) enthaltenden Bereich
(432, Fig.7C; 631, Fig. 10) mit einem kleineren Querschnitt als im übrigen Teil des Gehäuses (431,
F i g. 7C; 630, F i g. 10) ausgebildet ist.
10. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wärmeisolierende Teile (412, 413, Fig.6;
615 bis 617, Fig.9A) zwischen dem Gehäuse (400,
F i g. 6; 600, F i g. 9A) und der elektrischen Heizvorrichtung (403, F i g. 6; 602 bis 605, F i g. 9B) und daß
weiter Wärmeisolationsteile (611 bis 614, 620, F i g. 9A) zwischen dem Gehäuse (600, F i g. 9A) und
der Stopfbuchse (610, F i g. 9A) vorgesehen sind.
11. Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizvorrichtung ein oder mehrere in dem Wärmeausdehnungsmedium angeordnete Stäbe
oder Rohre (402,403, F i g. 6; 602 bis 605, F i g. 9B)
aufweist, die wenigstens mit ihrem einen Ende an dem Stellantriebsgehäuse (400, F i g. 6; 600, F i g. 9A)
befestigt sind.
12. Verwendung des Stellantriebs nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in einer
Regelvorrichtung zur Regelung einer Verfahrensregelgröße, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebeaufschlagung
des begrenzten Bereichs des Wärmeausdehnungsmediums gemäß einer Zeitmodulation in Abhängigkeit von dem Regelsignal der
Regelvorrichtung erfolgt.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB5275766 | 1966-11-25 | ||
GB5431766 | 1966-12-05 | ||
GB23806/67A GB1212341A (en) | 1966-12-05 | 1966-12-05 | Improvements in automatic control systems |
GB266167 | 1967-01-18 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1673543A1 DE1673543A1 (de) | 1971-09-23 |
DE1673543B2 true DE1673543B2 (de) | 1978-07-13 |
DE1673543C3 DE1673543C3 (de) | 1979-03-15 |
Family
ID=27447239
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1673543A Expired DE1673543C3 (de) | 1966-11-25 | 1967-11-24 | Wärmeausdehnungs-Stellan trieb |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1673543C3 (de) |
-
1967
- 1967-11-24 DE DE1673543A patent/DE1673543C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE1673543A1 (de) | 1971-09-23 |
DE1673543C3 (de) | 1979-03-15 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |