DE19508319A1

DE19508319A1 - Einrichtung zur Einstellung von Fluidströmen

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Publication number: DE19508319A1
Application number: DE19508319A
Authority: DE
Original assignee: Helmut Baelz GmbH
Current assignee: Helmut Baelz GmbH
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2015-03-10
Also published as: DE19508319C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steue rung oder Regelung einer Fluidströmung.

Auf vielen Gebieten der Technik sind Fluidströme, d. h. Ströme von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten in ihrer Stärke einzustellen. Bspw. sind in Wärmeversorgungssyste men üblicherweise eine Vielzahl Armaturen vorhanden, mit denen die Menge eines durchfließenden Wärmeträgers einge stellt wird. Der Wärmeträger kann Warmwasser oder Dampf sein. Mit der Einstellung der Durchflußmenge wird die einem nachgeschalteten System zugeführte Wärmemenge kon trolliert, d. h. gesteuert oder geregelt.

Bspw. sind Thermostatventile bekannt, bei denen ein Sitzventil über einen Stellmotor auf bzw. zu gesteuert wird. Der Stellmotor wird über einen Bimetallkontakt ent sprechend der Temperatur in einem nachgeschalteten System angesteuert. Der Bimetallkontakt ist dabei derart ge schaltet, daß der Stellmotor sowohl in Stillstand als auch in Rechts- bzw. Linkslauf gebracht werden kann. Um eine akzeptable Regelcharakteristik zu erhalten, werden bei derartigen Reglern Ventile mit einer linearen oder gleichprozentigen Kennlinie verwendet. Das Ventil ist dabei derart konstruiert, daß der Zusammenhang zwischen dem Weg, den ein Stellglied, bspw. ein Ventilkegel, zu rücklegt, und der pro Zeiteinheit durchfließenden Fluid menge linear ist.

Derartige Regelventile verursachen, auch wenn sie voll geöffnet sind, einen erheblichen Druckabfall. Dieser führt dazu, daß in dem jeweiligen, einem Regelventil vor gelagerten Abschnitt eines Systems, ein höherer Druck aufgebaut werden muß, als für den Betrieb des der Regel einrichtung nachgeschalteten Systemes erforderlich ist. Diese Druckdifferenz kann bei entsprechenden Durchfluß mengen bei bis zu 3 bar liegen. Bei einer entsprechenden Anzahl im System vorhandener Regeleinrichtungen kann sich die im vorgelagerten System erforderliche Drucküberhöhung noch steigern.

Zum Aufbau eines entsprechenden Druckes vor den Re gelventilen werden üblicherweise Umwälzpumpen verwendet, die fortwährend einen hohen Druck aufbauen. Diese Umwälz pumpen sind elektrisch betriebene Pumpen, die im Dauerbe trieb laufen und dazu beitragen, daß bspw. Fernwärmesy steme nicht nur Fernwärme sondern in erheblichem Maße auch Elektroenergie verbrauchen. Diese wird allein für die Aufrechterhaltung des Betriebes des Fernwärmesystemes benötigt und geht als Energie somit verloren. Je höher der von den Umwälzpumpen aufzubauende Druck ist, desto höher ist auch der zum Aufbau dieses Druckes erforderli che Energieeinsatz.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Fluidströmung eingestellt werden kann und die es dabei ermöglicht, mit einem niedrigeren Druckniveau auszukommen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Im Gegensatz zu bekannten Regeleinrichtungen geht die erfindungsgemäße Vorrichtung von einem Absperr- und Regelorgan aus, das, wenn es in seiner Offenstellung be findlich ist, von dem Fluid im wesentlichen umlenkungs frei durchströmt wird. Solche Absperr- und Regelorgane sind bspw. Klappen, Hähne, Blenden oder dergleichen. Im Gegensatz zu den bislang zur genaueren Einstellung eines Fluidstromes verwendeten Sitzventilen wird die Strömung im wesentlichen geradlinig geführt. Insbesondere in Of fenstellung ist die Strömung geradlinig. Hingegen wird bei einem Regelventil bekannter Bauart ein Sitzventil verwendet, bei dem die Strömung auf einem Z-förmigen Wege geführt, d. h. wenigstens zweimal umgelenkt wird. Dieses Umlenken wird bei der Erfindung vermieden, wodurch der Druckabfall über dem voll geöffneten Regelventil stark vermindert und bis auf Null reduziert werden kann. Um lenkungsfrei im Sinne des Patentanspruches ist die turbu lente oder laminare Strömung, wenn sie insgesamt durch das Regelorgan geht, ohne im ganzen einer Krümmung zu folgen.

Durch den verminderten Druckabfall wird der ein stellbare Regelbereich bei gegebenem, vor dem Absperr- und Regelorgan vorhandenen Systemdruck stark erweitert. Andererseits wird es möglich, den Systemdruck in dem dem Absperr- und Regelorgan vorgelagerten System erheblich abzusenken. Nachdem das Absperr- und Regelorgan in Offen stellung selbst nahezu keinen Druckabfall hervorruft, kann der Druck in dem vorgelagerten System um den anson sten an Ventilen abfallenden Differenzdruck gesenkt wer den. Durch die Absenkung des Druckniveaus in dem vorgela gerten System wird die zur Aufrechterhaltung dieses Drucks erforderliche Energiemenge entsprechend reduziert. Die Druckeinsparung kann bis zu 3 bar betragen, was unge fähr in der Größenordnung von einem Viertel bis einem Drittel des ansonsten vorhandenen Systemdrucks liegt. Entsprechend hoch ist die Einsparung von Elektroenergie an den zur Aufrechterhaltung des Druckniveaus dienenden Umwälzpumpen.

Darüber hinaus werden durch die umlenkungsfreie Füh rung des Fluides in dem Absperr- und Regelorgan Verwirbe lungen vermieden, die zu Erosion und Kavitation führen können. Außerdem werden unerwünschte Geräuschbildungen vermieden, was insbesondere bei der Verwendung in Heizungssystemen von Bedeutung ist.

Die Vorrichtung wird von einer Steuereinrichtung gesteuert, die entsprechende Befehle zur Einstellung des Absperr- und Regelorganes an die Antriebseinrichtung gibt, die das Stellglied betätigt. Die Steuereinrichtung gibt dabei Signale ab, die die Menge des Fluides kenn zeichnen, das pro Zeiteinheit durch das Absperr- und Re gelorgan fließen soll. Das Transformationsmittel ermög licht die Verstellung des Stellgliedes in einer solchen Weise, daß Fluidströmung tatsächlich entsprechend den Vorgaben der Steuereinrichtung eingestellt wird. Das Transformationsmittel, das ein Rechenmittel oder dergl. sein kann, stellt Ausgangssignale bereit, die aus seinen Eingangssignalen ermittelt, jedoch nicht proportional zu diesen sind. Die Abhängigkeit der Ausgangssignale von den Eingangssignalen wird vorzugsweise derart festgelegt, daß eine nichtlineare Abhängigkeit der von dem Absperr- und Regelorgan pro Zeiteinheit durchgelassenen Fluidmenge von der Stellung des Steuergliedes kompensiert wird. Die von dem Absperr- und Regelorgan pro Zeiteinheit durchgelasse ne Fluidmenge entspricht dadurch den von der Steuerein richtung abgegebenen Signalen.

Durch den mittels des Transformationsmittels herbei geführten proportionalen Zusammengang zwischen den Signa len der Steuereinrichtung, die Vorgaben für das Absperr- und Regelorgan darstellen, und der von dem Absperr- und Regelorgan pro Zeiteinheit durchgelassenen Fluidmenge wird es möglich, die genannte Vorrichtung als Steuer- oder Regeleinrichtung auszubilden. Damit kann das Absperr- und Regelorgan, also bspw. die Klappe oder der Kugelhahn, als Bestandteil eines Reglers wie bspw. eines Temperaturreglers, Druckreglers oder dergl. verwendet werden.

Das Transformationsmittel korrigiert Kennlinien solcher Absperr- und Regelorgane, die ansonsten wegen ihrer Nichtlinearität in Reglern nicht oder nicht ohne weiteres eingesetzt werden können. Dies sind bspw. die genannten Klappen und Hähne, die sich in Offenstellung durch eine umlenkungsfreie Strömung auszeichnen.

Der bei Verwendung solcher Absperr- und Regelorgane verringerte Druckverlust ermöglicht auch bei Heizungs systemen eine Einsparung von Elektroenergie zur Aufrech terhaltung des Druckes in dem vorgelagerten System. Dort betriebene Umwälzpumpen halten das System auf einem entsprechend niedrigeren Druck, wozu weniger Energie erforderlich ist.

Das Stellglied ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß es durch seine Verstellung den mit dem Gehäuse defi nierten freien Strömungsquerschnitt verändert, wobei das Stellglied in Bezug auf die Strömungsrichtung wenigstens teilweise in Querrichtung bewegt wird. Dieses kann eine Schwenkbewegung einer Drehklappe, die Drehbewegung eines Kugelhahnes oder die seitliche Verschiebung eines Schie bers sein. In keinem Fall jedoch ist es die Bewegung eines Ventilgliedes gegen einen Sitz. Dadurch werden Umlenkungen der Strömung vermieden.

Eine Betätigung mit relativ geringen Stellkräften wird ermöglicht, wenn das Stellglied um eine quer zu der Strömungsrichtung orientierte Drehachse drehbar gelagert ist. Dies ist bei Drehklappen und Hähnen, wie bspw. Kugelhähnen der Fall.

Drehklappen lassen sich bspw. mit einem gegenüber Ventilen mit gleicher Nennweite auf rund 1/10 reduziertem Gewicht fertigen. Darin spiegelt sich der auf 1/10 redu zierte Materialverbrauch wider. Dies bedeutet, daß mit den Klappen über die eingangs genannte, erhebliche Ener gieeinsparung hinaus eine überraschend hohe Materialein sparung möglich ist. Eine Klappe der Nennweite 100 hat eine Baulänge von 52 mm und ein Gewicht von 4,5 kg im Vergleich zu einer Baulänge von 350 mm und einem Gewicht von 43,9 kg bei einem Sitzventil. Der Durchfluß ist bei geöffneter Klappe nahezu widerstandsfrei. Der Druckver lust liegt bspw. lediglich bei 0,1 bar. Außerdem läßt sich eine erhebliche Kostenreduzierung herbeiführen. Der Preis für eine Klappe mit der Nennweite 100 liegt bei weniger als 1/5 des Preises für ein Ventil mit gleicher Nennweite.

Das Transformationsmittel gibt vorzugsweise ein von einem Eingangssignal abhängiges Ausgangssignal ab, das gleich der Differenz aus einer linearen Funktion der Stellung des Stellgliedes und dem Zusammenhang zwischen der Stellung des Stellgliedes und der pro Zeiteinheit fließenden Menge der Fluidströmung ist. Diese von dem Transformationsmittel erbrachte Funktion überlagert sich mit der Kennlinie des Regel- und Ab sperrorganes zu einer linearen Beziehung. Damit nimmt das Transformationsmittel eine Kennlinienanpassung vor, so daß das Absperr- und Regelorgan mit seiner nichtlinearen Kennlinie aus Sicht der Antriebseinrichtung oder aus Sicht der Steuereinrichtung eine gleichprozentige Charak teristik erhält.

Prinzipiell ist es möglich, das Transformations mittel an einer beliebigen Stelle zwischen der Steuer einrichtung und dem Absperr- und Regelorgan anzuordnen. Jedoch ist es vorteilhaft, es wirkungsmäßig zwischen der Steuereinrichtung und der Antriebseinrichtung anzuordnen. Das Transformationsmittel kann hier als elektrische oder elektronische Einrichtung ausgebildet sein, wobei es auch möglich ist, das Transformationsmittel als Bestandteil der Steuereinrichtung auszubilden. Die Steuereinrichtung, die bspw. auf einem Mikrorechner basiert, enthält dann einen die Kennlinienanpassung vornehmenden Funktions block. Dieser kann sowohl hardware- als auch softwaremä ßig realisiert sein. Bspw. ist es möglich, die Kennli nienanpassung auf der in der Steuereinrichtung vorhande nen Mikrorechnerbasis softwaremäßig vorzusehen. Dazu ist dann ein entsprechendes Programm vorzunehmen, das die Information über die zu korrigierende Kennlinie enthält. Diese Information kann in einem Speicherbereich abgelegte Information, also eine Tabelle sein. Bei bekannter analy tischer Beschreibung der zu korrigierenden Kennlinie kann auch eine entsprechende Formel oder Formelmenge program miert sein. Optional ist es möglich, das Steuerglied mit einem Geber zu verbinden, der die aktuelle Stellung des Steuergliedes an die Steuereinrichtung oder die Antriebs einrichtung meldet. Darauf kann jedoch verzichtet werden, wenn die Steuereinrichtung mit einem schnell ansprechen den Sensor in Verbindung steht, der den Istwert der betreffenden zu regelnden Größe aufnimmt.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise derart ausge legt, daß sie verbunden mit dem Sensor und der Antriebs einrichtung einen PID-Regler bildet.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beeinflussung, d. h. Steuerung oder Regelung eines Fluidstromes in einem System ergibt sich neben der Redu zierung der erforderlichen Druckdifferenz der ganz prak tische Vorteil, daß insgesamt eine erhebliche Material- und Gewichtseinsparung erzielbar ist. Die in der Vor richtung vorgesehenen Regel- und Absperrorgane mit um lenkungsfreier Strömungsführung, wie bspw. Drehklappen, sind bei gleicher Nennweite erheblich leichter als ent sprechende Ventile.

Durch die Verwendung der Klappe in einem entspre chenden System ist es darüber hinaus möglich, die System zuverlässigkeit zu erhöhen. Dies liegt darin begründet, daß Absperr- und Regelorgane der genannten Bauart, also bspw. Hähne oder insbesondere Klappen, durch eine Schwenkbewegung um 90° geöffnet oder geschlossen werden können. Die Abdichtung entsprechender Durchführungen einer die Klappe lagernden Welle an dem Gehäuse kann bspw. mit einem Spezialfaltenbalg oder durch eine Stopf buchse erfolgen. Die Stopfbuchse wird durch die Drehbewe gung der Welle um lediglich 90° nur wenig beansprucht, wodurch sie zuverlässig dicht hält.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines Fluid stromes, mit einer Drehklappe, einer Antriebs einrichtung und mit einer Steuereinheit, in einer schematisierten Blockdarstellung,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines Fluid stromes, mit einer Drehklappe, die über eine Antriebseinrichtung und eine Steuereinheit gesteuert ist, und mit einem Geber zur Meldung der aktuellen Stellung der Drehklappe an die Steuereinheit, in schematisierter Darstellung,

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1, die zusätzlich mit einem Sensor zur Aufnahme des Istwertes einer zu regelnden Größe des Fluidstromes versehen ist, in schematisierter Darstellung, und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Steuern eines Fluidstromes, in ausschnitts weiser und stark schematisierter Darstellung.

In Fig. 1 ist eine Einstellvorrichtung 1 darge stellt, die der Beeinflussung eines in einem Rohr 2 fließenden Fluidstromes dient. Das Rohr 2 weist einen zuführenden Rohrabschnitt 2a und einen wegführenden Rohrabschnitt 2b auf, zwischen denen eine Drehklappen armatur 4 angeordnet ist. Die Drehklappenarmatur 4 weist ein geschlossenes Gehäuse 5 auf, das eingangsseitig und ausgangsseitig mit dem jeweiligen zu- bzw. abführenden Rohrabschnitt 2a, 2b verbunden ist. In dem Gehäuse 5 ist ein Durchlaßkanal 6 mit rundem Querschnitt ausgebildet, dessen Weite mit der Weite des Rohres 2 übereinstimmt.

Etwa mittig ist der Durchlaßkanal 6 von einer Welle 8 durchgriffen, die einenends aus dem Gehäuse 5 abgedich tet herausgeführt ist. Drehfest auf der Welle 8 sitzt in dem Durchlaßkanal 6 eine scheibenförmige Klappe 9, deren Durchmesser im wesentlichen mit dem Durchmesser des Durchlaßkanales 6 übereinstimmt. Die Klappe 9 schneidet eine an der Innenwandung des Durchlaßkanales 6 vorgesehe ne, ringförmige Rippe 11, die dem Durchlaßkanal 6 ge ringfügig verengend nach innen vorsteht.

Der Durchlaßkanal 6 führt geradlinig durch das Gehäuse 5 und definiert somit einen geradlinigen, um lenkungsfreien Strömungsweg 13, auf dem die Strömung eines Fluids ohne Umwege durch die Drehklappenarmatur 4 geführt wird.

Die Klappe 9 kann durch Drehen der Welle 8 in mehre re Stellungen gebracht werden. In ihrer Offenstellung liegt die Klappe 9 in Strömungsrichtung 13. In ihrer dagegen um ungefähr 90° verdrehten Verschlußstellung steht die Klappe 9 quer zu der Strömungsrichtung 13 und liegt mit ihrem Rand an der Rippe 11 an. Zwischen diesen beiden Endstellungen kann die Klappe 9 jede beliebige Zwischen stellung einnehmen. Um die Klappe 9 in diese Stellungen zu bringen, ist die Welle 8 über ein in Fig. 1 lediglich symbolisch angedeutetes Kraftübertragungsmittel 14 mit einer Antriebseinrichtung 16 verbunden, die als Drehan trieb ausgebildet ist. Die Antriebseinrichtung 16 weist einen elektrischen Stellmotor auf, der über ein Unterset zungsgetriebe auf das Kraftübertragungsmittel 14 wirkt. Der Elektromotor ist von einer Steuereinheit 18 angesteu ert und mit Strom versorgt. Diese gibt über eine Leitung 19 Signale an die Antriebseinrichtung 16, die dazu füh ren, daß die Klappe 9 in Richtung auf ihre Verschluß stellung oder in Richtung auf ihre Offenstellung zu bewegt wird, oder daß die Klappe 9 in ihrer jeweiligen Stellung verharrt.

Die Steuereinheit 18 weist eine Steuereinrichtung 21 auf, die über eine Transformationseinrichtung 22 mit der zu der Antriebseinrichtung 16 führenden Leitung 19 ver bunden ist. Die Steuereinrichtung 21 gibt an ihrem Aus gang 23 Signale an die Transformationseinrichtung ab, die einer gewünschten Veränderung des in dem Rohr 2 fließen den Fluidstromes entsprechen. Die Steuereinrichtung 21 ist Teil der Steuereinheit 18, die einen Mikroprozessor mit entsprechenden Interfaceeinrichtungen enthält. Die Interfaceeinrichtungen können sowohl Eingabe- und An zeigeeinrichtungen als auch Schnittstellen zur Kopplung mit weiteren Einrichtungen sein. Dieser Mikroprozessor bildet zugleich die Einstellvorrichtung. Der Mikroprozes sor enthält dazu Speicher, in denen ein entsprechendes Programm abgelegt ist. Mittels des Programmes erzeugt der Mikroprozessor intern die an die Transformationseinrich tung 22 geführten Signale. Der Ausgang 23 kann somit bspw. durch eine dynamisch zugeordnete Speicherzelle, ein Register oder dergl. gebildet werden, das zur Datenüber tragung dient.

Die Transformationseinrichtung 22 wird durch eine auf der gleichen Hardware wie die Steuereinrichtung 21 laufendes Programm gebildet. Dieses entnimmt die Daten der entsprechenden Speicherzelle oder dem entsprechenden Register und wandelt diese nach einem vorgegebenen Schema um. Für die Umwandlung der Daten gilt die im folgenden erläuterte Vorschrift, die dazu führt, daß die Verände rung der in dem Durchlaßkanal fließenden Fluidströmung proportional zu an dem Ausgang 23 anstehenden Signalen erfolgt.

Die in dem Durchflußkanal 6 fließende Fluidströmung kann mittels der Klappe 9 ganz gesperrt werden, wenn diese in Verschlußstellung steht und ganz freigegeben werden, wenn diese in Offenstellung steht. In der Offen stellung ist nahezu kein Strömungswiderstand vorhanden, während in der Verschlußstellung eine nennenswerte Strö mung nicht möglich ist. Der Übergang von der Offenstel lung in die Verschlußstellung erfolgt jedoch nicht gleichmäßig, sondern stark unproportional. Schon eine geringe Öffnung der Klappe 9, d. h. eine Drehung der Welle 8 um wenige Grad aus der Verschlußstellung, bewirkt, daß eine relativ kräftige Fluidströmung durchgelassen wird. Die Veränderung der Stellung der Klappe 9 in Bezug auf eine gewünschte Veränderung der durch den Kanal 6 pro Zeiteinheit fließenden Fluidmenge kann mit guter Näherung durch eine Parabel angenähert werden. Die genauen, die Parabel beschreibenden Koeffizienten hängen von konstruk tiven Größen wie Durchmesser des Durchflußkanales 6, Höhe der Rippe 11, Größe der Klappe 9, usw. ab.

Während die Antriebseinrichtung 16 die Welle 8 und damit die Klappe 9 entsprechend auf der Leitung 19 vor handener Signale einstellt, nimmt die Transformationsein richtung 22 eine Signalumwandlung vor. Die von dem Aus gang 23 gelieferten Signale beschreiben die gewünschte Durchflußmenge, während die an die Leitung 19 abgegebenen Signale die Stellung der Klappe 9 kennzeichnen. Die Transformationseinrichtung 22 realisiert eine Korrektur funktion. Diese ist so festgelegt, daß die durch den Durchflußkanal 6 pro Zeiteinheit durchfließende Fluidmen ge tatsächlich den Signalen an dem Ausgang 23 entspricht.

Dies wird erreicht, indem die Transformationseinrichtung 22 die folgende Gleichung realisiert:

KORR = k^-1 _vs (m·S₂₃)

oder umgerechnet auf einen konstanten, zu dem Signal S₂₃ auf der Leitung zu addierenden Summanden S_korr:

S_korr = α·m - k_vs(α)

wobei:
KORR = die Abhängigkeit der auf der Leitung 19 vor handenen Signale S₁₉ von den an dem Ausgang 23 anstehenden Signalen S₂₃, KORR ist Umkehrfunk tion (k_vs ^-1) von k_vs,
α = Stellung der Klappe 9 in Grad, wobei bei 0° die Verschlußstellung und bei 90° die Offenstellung erreicht ist;
m = eine Konstante, die einen gleichprozentigen Kennlinienzusammenhang zwischen den an dem Ausgang 23 anstehenden Signalen und der in dem Durchflußkanal 6 fließenden Fluidströmung be schreibt (lineare Gleichung mit einer Geraden durch den Nullpunkt) und
k_vs = die pro Zeiteinheit durch den Durchflußkanal 6 fließende Fluidmenge; k_vs ^-1 die Umkehrfunktion.

Im Falle der parabolischen Kennlinie der als Drossel wirkenden Klappe 9 ist die Korrekturfunktion KORR eine Wurzelfunktion; S_korr ist dann ein Polynom zweiter Ordnung. Die Transformationseinrichtung 22 realisiert diese bspw. durch ein Berechnungsverfahren. Es ist jedoch auch mög lich, die gewünschte Kennlinie abzuspeichern. Dies hat den Vorteil, daß auch Charakteristiken des jeweiligen Absperr- und Regelorganes, hier bspw. der Drehklappen armatur 4, kompensiert werden können, die analytisch nicht bekannt oder nicht erfaßbar sind, d. h. deren Kenn linie lediglich als Tabelle vorliegt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Einstellvorrichtung 1 ist zusätzlich zu den bereits beschriebenen Teilen ein Geber 25 vorgesehen, der die Steuereinrichtung 21 über die aktuelle Klappenstellung informiert. Über eine Lei tung 26 werden die Stellung der Klappe 9 kennzeichnende Signale an die Steuereinrichtung 21 geliefert. Auf diese Weise ist eine Regelschleife gebildet, mit der die ge wünschte Klappenstellung genau eingestellt werden kann.

Alternativ ist es möglich, die Information über die Stellung der Klappe 9 an die Antriebseinrichtung 16 zu liefern, wobei die Leitung 26 dann direkt zu der An triebseinrichtung 16 führt, wie durch eine strichpunk tiert dargestellte Leitung 27 angedeutet ist. In diesem Fall ist die Leitung 26 nicht an die Steuereinrichtung 21 angeschlossen. Die Antriebseinrichtung 16 enthält dann intern Mittel, die den über die Leitung 29 gelieferten Sollwert mit dem über die Leitung 27 gelieferten Istwert vergleichen und die Klappe 9 entsprechend einstellen.

Eine Ausführungsform, bei der die Einstellvorrich tung 1 in eine Regelschleife eingebaut ist, zeigt Fig. 3, in der eine Regeleinrichtung 28 dargestellt ist. Die Regeleinrichtung weist ein an dem Rohr 2 in Bezug auf die Strömungsrichtung 13 stromabwärts angeordneten Sensor 31 auf, der den Istwert einer zu messenden physikalischen Größe des in dem Rohr 2 strömenden Fluids erfaßt. Dies ist im vorliegenden Falle die Temperatur δ, jedoch können auch andere physikalische Größen wie Druck, Dampfsätti gung oder dergl. überwacht werden. Der Sensor 31 reagiert auf Temperaturveränderungen ausgesprochen schnell, so daß Temperaturveränderungen wenig später, d. h. im Bereich von Sekundenbruchteilen oder höchstens wenigen Sekunden, über eine Leitung 32 an die Steuereinrichtung 21 geliefert werden. Die Steuereinrichtung 21 vergleicht den gemesse nen Temperatur-Istwert mit einem eingestellten Tempera tur-Sollwert und gibt an ihrem Ausgang 23 entsprechende Signale zur Verstellung der Drehklappenarmatur 4 ab. Die Steuereinrichtung 21 ist derart programmiert, daß die geschlossene Regelschleife PID-Charakteristik aufweist. Die Regeleinrichtung 28 ist ein PID-Regler.

Aus Sicht der Steuereinrichtung 21 verhält sich die aus der Transformationseinrichtung 22, der Antriebsein richtung 16 und der Drehklappenarmatur 4 gebildete Ein heit wie ein Ventil mit linearer Kennlinie. Die Regelein richtung 28 arbeitet deshalb als linearer Regler und wird durch die starke Nichtlinearität der Durchlaßkennlinie der Drehklappenarmatur 4 nicht beeinträchtigt.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich, Absperreinrichtungen mit stark nichtlinearen Kennlinien, wie Drehklappenarmaturen oder dergl., die bislang für Regelaufgaben nicht in Betracht gekommen sind, als Stellglied in Regelschleifen zu verwenden. Damit können Drehklappenarmaturen, die materialsparend und billig herstellbar sind, relativ teure Präzisions bauelemente, nämlich Ventile, ersetzen. Darüber hinaus bringt die Verwendung von Drehklappenarmaturen in Regel einrichtungen der vorstehend beschriebenen Art den Vor teil eines erweiterten Regelbereiches und/oder eines niedrigeren erforderlichen Fluiddruckes vor dem entspre chenden Steuerglied, nämlich der Klappe 9. Der niedrigere Druck ermöglicht Energieeinsparungen bei den den System druck bereitstellenden Umwälzpumpen.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Regeleinrich tung 28 im Ausschnitt symbolisch dargestellt, bei der anstelle der Drehklappenarmatur 4 ein Kugelhahn 35 vor gesehen worden ist. Dieser weist ein Gehäuse 36 auf, das einen geradlinig ausgebildeten Durchflußkanal 37 mit kreisrundem Querschnitt aufweist. Eingangs- und ausgangs seitig ist das Gehäuse 36 mit Flanschen versehen, an die die Rohrabschnitte 2a, 2b angeschlossen sind.

In dem Gehäuse 36 ist eine kugelförmige Kammer 38 vorgesehen, deren Durchmesser größer als der des Durch flußkanales 37 ist. In der Kammer 38 ist eine Absperr kugel 39 angeordnet, die einen Durchlaß 41 aufweist. Der Durchlaß 41 weist einen runden Querschnitt und einen Durchmesser auf, der mit dem Durchmesser des Durchflußka nales 37 übereinstimmt. Die Absperrkugel 39 ist in der Kammer 38 drehbar aufgenommen und über eine nicht weiter dargestellte Welle mit der Antriebseinrichtung 16 ver bunden. Diese kann die Absperrkugel 39 so drehen, daß der Durchlaß 41 ganz mit dem Durchflußkanal 37 fluchtet, -das der Offenstellung entspricht. Bei einer Drehung der Absperrkugel 39 um 90° ist der Durchlaß 41 quergestellt und der Durchflußkanal 47 damit abgesperrt. Dies ist die Verschlußstellung.

Der Kugelhahn 35 weist eine stark nichtlineare Kennlinie auf. Schon ein lediglich teilweise freigegebe ner Durchlaß 41 setzt der Strömung lediglich noch einen geringen Widerstand entgegen, so daß pro Zeiteinheit überproportional viel Fluid durchgelassen wird. Diese nichtlineare Charakteristik wird mittels der Transforma tionseinrichtung 22 kompensiert, die eine gegenläufige Kennlinie realisiert. Diese ist dazu in der Transforma tionseinrichtung 22 abgespeichert.

Der vorstehend beschriebene Kugelhahn 35 kann an stelle der Drehklappenarmatur 4 sowohl in der vorstehend beschriebenen Einstellvorrichtung 1, als auch in der Regeleinrichtung 28 verwendet werden.

Der besondere Vorteil des Kugelhahnes 35 liegt darin, daß dieser in seiner Offenstellung einen zu 100% offenen Durchgang aufweist. Bei Vollast steht dem strö menden Fluid nichts im Wege. Geräuschentwicklung, Erosion und Kavitation sind gleich Null. Außerdem sind Druckver luste minimiert.

Zur Regelung von Fluidströmen sind Absperr- und Regelorgane wie Drehklappen oder Kugelhähne vorgesehen worden, die die Fluidströmung in ihrem voll geöffneten Zustand umlenkungsfrei durchlassen. Eine Steuereinrich tung steuert die Drehklappe oder den Hahn über ein Trans formationsmittel und eine Antriebseinrichtung. Das Trans formationsmittel kompensiert die nichtlineare Kennlinie, so daß sich aus Sicht der Steuereinrichtung eine lineare Durchlaßkennlinie ergibt. Eine solche Einrichtung wird zur Einstellung von Fluidströmen in Systemen wie bspw. einem Wärmeversorgungssystem verwendet. Das Zusammen wirken der Transformationseinrichtung mit der Drehklappe oder dem Hahn ermöglicht die Verwendung als Stellglied in einer Regeleinrichtung.

Claims

1. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung,
mit einem Absperr- und Regelorgan (4), das ein Gehäuse (5) mit einem Zufluß und einem Abfluß aufweist,
mit einem in dem Gehäuse (5) angeordneten Stellglied (9), dessen Stellung mechanisch verstellbar ist, das mit seiner Stellung die Fluidströmung beeinflußt und das derart ausgebildet ist, daß die Fluidströmung bei voll geöffnetem Absperr- und Regelorgan (4) im wesentlichen umlenkungsfrei durch das Absperr- und Regelorgan (4) strömt,
mit einer Antriebseinrichtung (16), die mit dem Stellglied (9) in Wirkverbindung steht und mittels der die Stellung des Stellgliedes (9) veränderbar ist,
mit einer Steuereinrichtung (21), die Verstellsigna le an die Antriebseinrichtung (16) liefert, um das Stell glied (9) zu verstellen,
mit einem Transformationsmittel (22), das wirkungs mäßig zwischen der Steuereinrichtung (21) und dem Stell glied (9) angeordnet ist und das ein Eingangssignal in ein dazu nicht proportionales Ausgangssignal wandelt.

2. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) einen im wesentlichen geradlinigen Strömungsweg begrenzt.

3. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell glied (9) zwischen einer Offenstellung, in der die Fluid strömung im wesentlichen ungehindert fließt, und einer Verschlußstellung, in der die Fluidströmung wenigstens im wesentlichen abgesperrt ist, Zwischenstellungen einnehmen kann, in denen die Fluidströmung gedrosselt ist.

4. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusam menhang zwischen der Stellung des Stellgliedes (9) und der pro Zeiteinheit fließenden Menge der Fluidströmung nichtlinear ist.

5. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell glied (9) derart ausgebildet ist, daß es mit dem Gehäuse (5) einen freien Strömungsquerschnitt begrenzt der durch eine Verstellung des Stellgliedes (9) veränderbar ist, wobei die Verstellbewegung eine Komponente quer zu der Strömungsrichtung aufweist.

6. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell glied (9) um eine quer zu der Strömungsrichtung orien tierte Drehachse (8) drehbar gelagert ist.

7. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell glied (9) eine Klappe ist.

8. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperr- und Regelorgan (4) ein Hahn (35) ist.

9. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trans formationsmittel (22) ein von einem Eingangssignal ab hängiges Ausgangssignal abgibt, das eine Differenz aus einer linearen Funktion der Stellung des Stellgliedes (9) und dem Zusammenhang zwischen der Stellung des Stell gliedes und der pro Zeiteinheit fließenden Menge der Fluidströmung kennzeichnet.

10. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsmittel (22) eine Korrekturfunktion ent hält, die derart festgelegt ist, daß ein linearer Zu sammenhang zwischen einem Ausgangssignal der Steuerein richtung (21) und der pro Zeiteinheit durch das Absperr- und Regelorgan (4) fließenden Fluidmenge vorhanden ist.

11. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsmittel (22) wirkungsmäßig zwischen der Steuereinrichtung (21) und der Antriebseinrichtung (16) angeordnet ist.

12. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsmittel (22) Bestandteil einer die Steuer einrichtung (21) aufhaltende Steuereinheit (18) ist.

13. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsmittel (22) eine elektronische Einrichtung ist.

14. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) einen Mikrorechner enthält.

15. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 10, 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner einen Speicherbereich aufweist, in dem die Korrekturfunktion abgelegt ist.

16. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21) mit wenigstens einem Sensor (31) verbunden ist, der Signale an die Steuereinrichtung (21) liefert, die für wenigstens eine ausgewählte physikali sche Größe kennzeichnend ist, die von dem Steuer- und Regelorgan (4) beeinflußbar ist.

17. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (16) mit einem Geber (25) verbunden ist, der Information über die aktuelle Stellung des Steuergliedes (9) an die Steuerinrichtung (21) ohne die Antriebseinrichtung (18) liefert.

18. Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströ mung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21) derart ausgelegt ist, daß ins gesamt ein PID-Regler gebildet ist.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche zur Beeinflussung eines Fluidstro mes in einem System.

20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß das System ein Wärmeversorgungssystem ist.

21. Verwendung eines Steuer- oder Regelorganes, das in einen Aufzustand, einen Schließzustand sowie Zwischen zustände überführbar ist und das derart ausgebildet ist, daß die Fluidströmung bei voll geöffnetem Absperr- und Regelorgan (4) im wesentlichen umlenkungsfrei durch das Absperr- und Regelorgan (4) strömt, als Stellglied in einem Regler (28) zur Beeinflussung einer Strömung eines Fluids in Abhängigkeit eines durch die Fluidströmung beeinflußbaren physikalischen Parameters.

22. Verwendung nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fluid ein Wärmeträger ist und daß der Regler in einem Heizungssystem der Regelung der Menge des pro Zeiteinheit durchfließenden Wärmeträgers dient.

23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekenn zeichnet, daß die physikalische Größe die Temperatur ist.