DE1673543C3 - Wärmeausdehnungs-Stellan trieb - Google Patents

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 fehlen in Wärmeausdehnungsmedium, das durch (in Abhängigkeit von dem 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 Balgen- r> gehäuse eingeschlossen, wobei die Stellkraft bzw. die Stellbewegung von einem beweglichen Wandungsteil dieses Faltenbaigengehäuses abgenommen wird. Wenngleich bei einem gasförmigen Wärmeausdehnungs-Stellantrieb dieser Art zwar keine laufenden Abdichtungsprobleme 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 Steilantrieb; 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, Verschleiß- bo festigkeit) 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 Wärmekapazi- b^r> tat 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, vielmehr 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 Ansprechgeschwindigkei zu erhohen und andererseits die Lecksicherheit an der als Cileittührung 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 Würmeausdehnungs-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 erfindungsgemäß lokal begrenzte Wärmezufuhr in dem begrenzten Bereich bis zur Verflüssigung des Ausdehnungsmediums gegangen werden kann und gleichwohl Leckproblemf: an der Arbeitskolbendurchliihrung zuverlässig vermieden werden, brauchen trotz der Begrenzung der hauptsächlichen Wärmezufuhr auf nur einen Teil der Gesamtmasse des Wärmeausdehnungsmerlu'ms keine Einbußen an erziclbarer Stellkraft und erzielbarem Stellwcg hingenommen zu werden, da die Wärmezufuhr innerhalb des lokal begrenzten Bereichs entsprechend ii.ici.Jv bis zur Verflüssigung, d.h. unter voller Ausnutzung des verfügbaren Wärmeausdehnungsbereichs des Mediums erfolgen kann; durch diese lokal begrenzte, jedoch intensive Wärmezufuhr wird gleichzeilig die erwähnte hohe Ansprechempfindlichkeit unterstützt.

Als Wärmeausdehnungsmedium eignet sich für die Zwecke der Erfindung in an sich bekannter Weise ein

2(i Wachs, das sich bei oder oberhalb 70°C, vorzugsweise bei etwa 90⁰C, auszudehnen beginnt und bis zu einer Maximaltemperatur im Bereich zwischen 130⁰C und 250° C erhitzt werden kann, vorzugsweise jedoch den größten Teil seiner Ausdehnung bei etwa 150° C erreichl hat. Vorzugsweise kann das wärmeausdehnbare Medium aus einem Polyäthylenwachs bestehen.

Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche 5 bis 11.

jo Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Stellantriebs in einer Regelvorrichtung zur Regelung einer Verfahrensregelgröße, wobei die Wärmebeaufschlagung des begrenzten Bereichs des Wärmeausdehnungsmediums gemäß einer Zeitmodulation in Abhängigkeit von dem Regelsignal der Regelvorrichtung erfolgt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

F i g. 1 bis 4 jeweils Schaltbilder bzw. Teilschaltbilder von Regelvorrichtungen unter Verwendung erfindungsgemäßer Wärmeausdehnungssiellantriebe, und zwar die F i g. 1 bis 3 elektronische Regelvorrichtungen, F i g. A eine elektropneumatisch 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 eine!

Heizwicklung 112 mehr oder weniger aus derr Stellantrieb herausgedrückt wird und hierbei ein bei IK angedeutetes Stellglied betätigt, bei dem es sich irr gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Ventil einer Heizoder Kühlanlage handeln kann. Die Kolbenverschie bung steuert gleichzeitig auch einen verstellbarer Abgriff an einem an einer Gleichspannungsquelle 11/ liegenden Potentiometer 118 zur Beaufschlagung einei als Ganzes mit 101 bezeichneten Rückführschaltung Eine mit dem Stellantrieb in Wärmeleitungsverbindunf stehende Halbleiteranordnung!« dient als Strombe grenzervorrichtung dazu, eine Überhitzung des Stellan triebs bei Dauereinschaltung zu vermeiden. Dies kanr durch Verwendung eines Halbleiters 115 mit einen

positiven Temperaturkoeffizienlen 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 Fig. 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 Schieifer 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 Fig.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

ίο 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 F i g. 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.

ίο 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 herausersireckt, 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 Polyäthylenwachs. Es gibt Polyäthylenwachse, welche sich bei oder oberhalb 85°C auszudehnen beginnen und die bis zu einer Maximaltemperatur zwischen 13O⁰C und 200°C 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 90°C sich auszudehnen beginnt, bei etwa 150°C, 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 51t. 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 Brückeneckpunkte'! 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 fan 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 G 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 Brückenzweig zur Erzeugung der Rückführung, derart, daß das resultierende Brückensignal 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

ίο 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 8 B 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 InnL-ns'.'ito 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. Metailringe 607, 608 und 609 dienen dazu, der Anordnung mechanische Festigkeit zu verleihen. Zwischen diesen Ringen sind Ringe aus isolierendem Material 611, 612, is 613,6i4 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, beispielsweise Wachs; wie ersichtlich, ist jedoch der Innenquerschnitt in dem Bereich 632 wesentlich kleiner als in dem unteren Teil 630 des Stellantriebs. Dies einspricht 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 das Wärmeausdehnungsmedinm in diesem Bereich eine gewisse fesle Konsistenz behält und so daian 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 begrcnzlen 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 eingeführte¹! Elektrode Anwendung finden, mittels welcher Strom durch ein leitfähiges Wärmeausdehnungsmaterial geleitet wird, wobei der Strom emtweder zu einer zweiten Elektrode oder zu einer Anschlußklemme am Stellantriebsgehäuse direkt fließt und das Gehäuse somit als Sammclelektrode 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 elektromechanischem 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 übsr 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 ßC-Glieder 107,105 bzw. 106,108 zur Einführung einer D- bzw. einer I-Komponente in das Regelsignal auf und ist als negativer Rückführzweig geschaltet, derart daß man im Ausgang des Verstärkers 103 ein PID-Ausgangssignal erhält Der zweite »innere« Rückführzweig in Form eines ÄC-Parallelschaltuneseliedes 109.110 ist

als positiver Ruckführzweig ausgebildet und dient zur Erzielung einer maximalen Ausgangsgröße des Verstärkers bereits kurze Zeit nach Anlegen eines verhältnismäßig kleinen Fehler- b~w. Regelabweichsignals an den Eingangsklemmen 100. Diesem durch den positiven Rückführzweig 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 geschaltet, 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 durch eine Steüungsänderung 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 so 101, welche aus einer Gleichstromquelle 117 gespeist und durch von dem Stellantrieb gesteuerte Betätigung eines Potentiometers 118 verstellt wird, weist ein /?C-Glied 120,119 zur Erzeugung einer dem Differential der Regelwirkung entsprechenden Rückführgröße sowie ein ÄC-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 b5 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 der Regelpunkt und der Einstellpunkt identisch sind. Es sei ferner angenommen, daß die Hauptregelschleife mit einem Proportionalband von 5°C arbeiten soll und daß das Proportionalband der negativen Rückführung der zeitmodulierten Elemente des Verstärkers 103 0,1⁰C beträgt. Schließlich sei angenommen, daß der Ventilstellantrieb 113 halb geöffnet ist und daß dies durch eine Wärmezufuhr erreicht wird, welche 50% der maximalen kontinuierlichen Heizwirkung beträgt, wie sie sich ergibt, wenn der Schalter 104 kontinuierlich geschlossen ist. Mit anderen Worten wird unter diesen Bedingungen ein Schaltzyklus mit 50% Einschaltdauer und 50% Ausschaltdauer aufrechterhalten. Tritt nun ein Fehler bzw. eine Regelabweichung von 0,03⁰C auf, so steigt der Ausgangsstrom auf 75% der vollen Ausgangsgröße an. Dies hat eine rasche Betätigung des Kolbens 114 zur Folge; die Verstellung des Potentiometerabgriffs 118 erzeugt dabei ein Proportionalsignal, das sofort dem Fehler entgegenwirkt, und der Stellantrieb wird eine neue stabile Stellung einnehmen. Erfolgt der Fehler bzw. die Regelabweichung in der anderen Richtung, d. h„ soll die Energiezufuhr zu dem Stellantrieb verringert werden, so tritt die gleiche Wirkung ein, jedoch wird, insbesondere wenn der Stellantrieb bei einer hohen Temperatur betäagt wird, die Kühlung rasch und v^;"ht langsamer als der Heizeffekt wirksam.

F i g. 2 veranschaulicht eine in ähnlicher Weise wie in F i g. 1 ausgebildete Regelvorrichtung zur aufeinanderfolgenden Betätigung zweier Stellantriebe 129 und 130. Bei der Schaltung nach F i g. 2 ist gegenüber der F i g. 1 der den 1-Term bewirkende Kondensator 108 in der »inneren« Rückführung fortgelassen, da der I-Effekt häufig entbehrlich ist. Der Schalter 104 aus F i g. I ist in F i g. 2 als elektromechanischer Schalter 123 ausgebildet. Der Kondensator 121 der dritten Rückführschaltung kann durch einen von Hand betätigbaren Schalter

124 kurzgeschlossen sein, da die Einführung eines Proportionalbandes in Heizungsanlagen häufig zur Brennstoffeinsparung nützlich ist. Im übrigen entspricht die Schaltung von F i g. 2 grundsätzlich der nach F i g. 1, mit dem Unterschied, daß in F i g. 2 zwei Potentiometer

125 und 126 je eine Rückführspannung abgeben, wobei diese beiden Rückführspannungen mittels der Widerstände 127,128 und 143 addiert werden. Der Widerstand 128 ist ein Potentiometer, dessen beweglicher Abgriff über den Widerstand 143 mit der Ausgangsseite des Widerstandes 127 verbunden ist. Die Rückführwirkung des Stellantriebs 129, welcher den beweglichen Abgriff des Potentiometers 125 betätigt, kann durch Änderung der Stellung des Abgriffs des Potentiometers 128 herabgesetzt werden.

Die in F i g. 2 gezeigte Regelvorrichtung dient zur Regelung einer Heizungsanlage durch aufeinanderfolgende Betätigung zweier Heizventile. Der Stellantrieb 130 betätigt die Stufe Nr. 1: er ist normalerweise geschlossen, wenn er keine elektrische Energie zugeführt erhält. Der Stellantrieb 129 dient zur Betätigung der Heizstufe Nr. 2; auch dieser Stellantrieb ist vom normalerweise geschlossenen Typ. Ein Hilfsschalter 131 schließt, sobald der Stellantrieb 130 seine volle Öffnungsstellung erreicht; ein Hilfsschalter 132 wird umgeschaltet, sobald der Stellantrieb 129 sich zu öffnen beginnt. Die von den beiden Stellantrieben erzeugten Rückführspannungen werden stetig übergehend nacheinander wirksam, je nach dem zugehörigen eigenen Proportionalband. Das Proportionalband des Stellantriebs 129 wird in dem Hauptregler eingestellt, und das

Proportionalband des Stellantriebs 130 ist ein Teil hiervon je nach der Stellung des Abgriffs des Potentiometers 128.

Fig.3 zeigt die Anwendung eines Stellantriebs in einer Regelvorrichtung besonderer Einfachheit Eine Wheatstone-Brücke 200 liefert ein Fehler- bzw. Regelabweichsignal an den Verstärker 201; es sei jedoch betont daß anstelle der Wheatstone-Brücke selbstverständlich jeder beliebige anderweitige Fehlerbzw. 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 F i g. 1 und 2 wird jedoch bei den Reglern gemäß Fig.3 ein Wechselstromeingangssignal in ein stetiges Gleichstromausgangssignal umgewandelt, welches eine Proportional-, ProportionaJ-Integrai-(Pl-) oder Proportional-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 F i g. 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 eiTeicht, 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 niedrig, nimmt jedoch mit ansteigender Erwärmung zu, derart, daß nach einiger Zeit ein wesentlich größerer Strom fließen kann.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in F i g. 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 Zungenreiais 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 Zungenrelaiskontakts 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 apiucrcfi oCiiäuüiigSuälHctic, uic SO gcw'äiui Sifiu, uau 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 Ausgangswirkung. Eine Verstellung des Kolbens 212 hat 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 Fehlsr- 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 Reglervorrichtung, 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 / 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 F i g. 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 go j rr art

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dem Einfluß einer absinkenden Temperatur der Bälgen zusammenziehen, wodurch der Schalter 303 betätigt 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 Wärmebegrenzungsvorrichtung 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 dmiteinander 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

ίο erreichte Effekt auch mit mechanischen Mitteln erzielt werden, die in der Massenherstellung wesentlich billiger als elektronische Vorrichtungen sind. Der Balgen 301 kann so ausgebildet werden, daß er auf geringfügige Temperaturänderungen anspricht; infolge des Um-

stands, 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 iRückführwirkung erzielen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß zwar bei dem mechanischen bzw. elektropneumatischen Regler gemäß Fig.4 vorzugsweise Balgen als temperaturempfindliche 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)

Patentansprüche:

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 eiinen im wesentlichen flüssigen bzw. zähflüssigen 3'ustand 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 Gebäudeöffnung, 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 130⁰C und 250⁰C erhitzt werden kann.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines wärmeausdehnungsfähigen Mediums, das sich bei etwa 90⁰C auszudehnen beginnt, den größten Teil seiner Ausdehnung bei etwa 150⁰C 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, Fig. 7C;635, Fig. 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, daC 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, F i g. 7A) in einem Winkel gegenüber dem die Stopfbuchse (4il, Fig.7A) und Kolben (426, Fig.7A) enthaltenden Gehäuseteil (427, F i g. 7A) 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, F i g. 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; d00, 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 Steliantriebsgehäuse (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.