DE19914576C2 - Verfahren zur Vergrößerung des Messbereichs von Volumenstrommesseinrichtungen, Vorrichtung zur Messung eines Volumenstromes und Volumenstrom-Regeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Messbereichs von Volumenstrommesseinrichtungen, ei­ ne Vorrichtung zur Messung des Volumenstromes sowie ei­ ne Volumenstrom-Regeleinrichtung.

Aus der EP 0 604 020 A1 ist eine Vorrichtung mit einer Drosselblende bekannt, wobei der Druck des strömenden Fluids vor und hinter der Drosselblende gemessen und die Druckdifferenz in ein von dem Volumenstrom abhängi­ ges Signal umgewandelt wird. Vor der Drosselblende ist eine Pumpe vorgesehen. Die Pumpe beaufschlagt den Volu­ menstrom mit einem Wechselanteil.

Derartige Vorrichtungen mit querschnittsverengenden Blenden haben zwar den Vorteil, dass sie preisgünstige Lösungen darstellen, aber haben den Nachteil, dass der Wirkdruck, d. h. das Messsignal des Differenzdruckes Δp als Funktion des Volumenstromes Q einen nichtlinearen Verlauf hat. Der nichtlineare Verlauf dieser Blenden­ funktion kommt dadurch zum Ausdruck, dass kleine Luft­ volumenströme nur zu einem sehr kleinen oder gar nicht messbaren Wirkdrucksignal führen, während der Wirkdruck mit zunehmendem Volumenstrom überproportional zunimmt.

Dies ergibt sich auch mathematisch aus dem Kontinui­ tätsgesetz und der Energiegleichung von Bernoulli, wo­ nach bei einer querschnittsverengenden Blende der Wirk­ druck eine Funktion des Quadrats des Volumenstroms ist.

Bedingt, durch die ausgeprägte Nichtlinearität der Blen­ denkennlinie liefert der nachgeschaltete Drucksensor erst oberhalb von recht großen Volumenstromwerten brauchbare Messsignale, während eine weitere Zunahme des Volumenstromes zu einer Übersteuerung des Drucksen­ sors führt. Dadurch ist die erzielbare Messdynamik von nach diesem Prinzip arbeitenden Systemen für viele An­ wendungen nicht ausreichend.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art ist z. B. aus "Regelungstechnische Praxis", Heft 11 (1975), Sei­ ten 356 und 357 bekannt. Hierbei kommt eine im Quer­ schnitt variable Blende zur Anwendung, durch die der Messbereich gegenüber solchen mit unveränderlichen Blenden vergrößert wird. Derartige variable Blenden sind jedoch relativ aufwendig und weisen eine deutlich höheres Bauvolumen auf, was insbesondere bei Anwendun­ gen mit einer Vielzahl von Regelstrecken, wie z. B. bei der Aluminium-Stranggießtechnik, stört.

Es wurden daher Maßnahmen zur Veränderung der Ausfüh­ rungsform bzw. des Bohrdurchmessers der Blende vorgese­ hen, um den Messbereich zu kleinem oder zu großem Luft­ volumenstrom hin zu verschieben. Diese führen jedoch nicht zu einer Vergrößerung des nutzbaren Messbereichs. Insbesondere führt eine Vergrößerung des Blenden- Innendurchmessers zwar zu einer Verschiebung des maximal erfassbaren Volumenstroms in Richtung größerer Wer­ te, jedoch wird durch sie die Messgenauigkeit im unte­ ren Messbereich gleichzeitig verschlechtert. Umgekehrt führt die Wahl eines kleineren Blenden- Innendurchmessers zwar zu einer Verbesserung der Mess­ genauigkeit im unteren Messbereich, jedoch reduziert sich dadurch der maximal messbare Volumenstromwert.

Weiterhin wurden andere Typen von Drucksensoren verwen­ det, die konstruktiv für höhere Differenzdruckwerte ausgelegt sind. Auch dadurch konnte keine Verbesserung der Messdynamik erreicht werden, da deren Messgenauig­ keit im unteren Messbereich entsprechend ungünstiger ist.

Zwar liefern sogenannte Luftstrombrückensensoren, die nach dem Prinzip der durchflussabhängigen Konvektion von Luft bzw. Gasen arbeiten, im Vergleich zu Drossel­ blenden genauere Messergebnisse mit höherer Messdyna­ mik. Diese Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie im Vergleich zu Drosselblenden ein größeres Bauvolumen haben und für viele Anwendungen zu teuer sind.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der obengenannten Art zu schaffen, durch die sich die Linearität und damit die nutzbare Messdynamik der verhältnismäßig preisgünstigen und kleinbauenden Drosselblenden mit fester Geometrie deut­ lich verbessern lässt, wobei eine Messgenauigkeit er­ zielt werden soll, die sowohl mit der von teueren Luft­ strombrückensensoren vergleichbar ist, als auch mit der von den obigen Verfahren mit variablen Drosselblenden.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, eine Volumen­ strom-Regeleinrichtung zu schaffen, die geeignet ist, unter Verwendung von einfachen Drosselblenden, höhere Regelbereiche zu realisieren, als unter Verwendung von einfachen Drosselblenden nach dem Stand der Technik möglich ist.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängi­ gen Ansprüche gelöst. Alternative Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Insbesondere lässt sich eine Verbesserung des Volumen­ strommessbereichs bei der Verwendung von Drosselblenden dadurch erzielen, das mittels geeigneter Maßnahmen die ausgeprägt nichtlineare Kennlinie der Drosselblende li­ nearisiert wird, um damit den Messbereich des nachge­ schalteten Drucksensors besser ausnutzen zu können.

Die erfindungsgemäß vorgenommene Beaufschlagung des Vo­ lumenstromes mit einem durch ein periodisch angesteuer­ tes Ventil erzeugten Wechselanteil bewirkt aufgrund der Nichtlinearität der Drosselblendenkennlinie in Verbin­ dung mit dem nichtlinearen Verlauf der Stromsteuerkenn­ linie des Stellventiles einen zusätzlichen, je nach Krümmung der Kennlinie positiven oder negativen Gleich­ anteil im Ausgangssignal der Drucksensoren und damit eine Korrektur des Volumenstrommesswertes; diese Kor­ rektur wirkt der Nichtlinearität der Drosselblenden­ kennlinie entgegen, sodass insgesamt ein größerer nutz­ barer Messbereich erzielt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Volumenstrom- Regeleinrichtung mit einer Volumenstrommes­ sung unter Verwendung einer Drosselblende,

Fig. 2 zwei Diagramme zur Darstellung der Entstehung der neuen linearisierten Blendenkennlinie in Folge der Überlagerung eines Volumenstrom- Wechselanteils, und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Entstehung der neuen linearisierten Blendenkennlinie nach der Fig. 2 für den unteren Messbereich.

Das in der Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine Vorrichtung zur Volumenstromregelung mit einem Re­ gelkreis 3. Eine Drosselblende 5 in einer, ein Fluid führenden Leitung 35.1 in Verbindung mit einem Differenzdrucksensor 7, dient zur Erfassung des Wirkdruckes Δp. Die durch Vergleich der Sollgröße 11 mit der Istgröße 12 gewonnene Regelabweichung 13 wird im Regelkreis einem Regler 15 zugeführt, der ein geeignetes Stellsignal 17 für das Stellglied 19.1 eines Stellventils 19 in der Leitung 35.1 generiert. Das Stellventil 19 ist in der Fig. 1 als stetig einstellbares Magnetventil ausgeführt.

Bei korrekt dimensioniertem Regler 15, der in der Fig. 1 als PID-Regler ausgeführt ist, wird das Stellventil 19 solange nachgeführt, bis sich die Regelgröße oder Istgröße 12 der Sollgröße 11 angleicht und die Regelab­ weichung zu null wird.

Die Volumenstrom-Regeleinrichtung weist ferner einen Summierverstärker 21, einen frequenz- und amplituden­ stabilisierten Funktionsgenerator 22, einen Tiefpass­ filter 23 sowie einen dem Summierverstärker 21 nachge­ schalteten Spannungs-Stromwandler 24 auf.

Durch den Summierverstärker 21 wird das vom Regler 15 kommende, mittels eines Digital-Analog-Wandlers 27 ana­ log gewandelte Stellsignal, das vorzugsweise die Stell- Gleichspannung ist, mit der von dem Generator 22 er­ zeugten, vorzugsweise sinusförmigen Überlagerungs- oder Wechselsignal 29, vorzugsweise einer Wechselspannung von z. B. 150 Hz bei Gasströmen, überlagert. Das Aus­ gangssignal 31 des Summierverstärkers 21 im Ausfüh­ rungsbeispiel ist eine Stell-Gleichspannung mit überla­ gertem sinusförmigen Wechselanteil.

Dieses wird von dem nachgeschalteten Spannungs- Stromwandler 24 in das Ventilsteuersignal 32 gewandelt. Die Ansteuerung des Ventils kann jedoch auch auf andere Weise erfolgen. Das Stellglied 19.1 des Stellventils 19 folgt diesem Signal, das die Form einer Schwingung hat, wodurch der für die erfindungsgemäße Volumenstrommes­ sung erforderliche Wechselanteil des Volumenstroms 35 erzeugt wird.

Das Stellventil 19 ist in unmittelbarer Nähe vor der Drosselblende 5 angeordnet, damit die Wechselamplitude des Volumenstroms 35 aufgrund der Tiefpasseigenschaften von pneumatischen Leitungen nicht längen- und leitungs­ führungsabhängig gedämpft wird. Die Frequenz des Über­ lagerungssignals, d. h. der Wechselspannung 29, sollte sich in hinreichendem Abstand zur Resonanzfrequenz des Stellventils 19 befinden, damit die von dem Stellventil 19 erzeugten Signalhübe reproduzierbar sind und nicht von den Streuungen der dynamischen Ventilparameter be­ einflusst werden. Darüber hinaus sollte die Überlage­ rungsfrequenz mit Rücksicht auf den Filtergrad des Tiefpasses 23 höher gewählt werden, als die vom Regel­ kreis 3 noch wirkungsvoll auszuregelnde höchste Stör­ frequenz.

Damit der Regelkreis 3 den für die Volumenstrommessung erforderlichen Wechselanteil des Volumenstroms 35 nicht wieder ausregelt, wird der entsprechende Wechselanteil der Messspannung 37 durch den Tiefpassfilter 23 unter­ drückt, bevor die Regelgröße dem Regelkreis 3 zugeführt wird.

Insbesondere in Anwendungen, in denen der Wechselanteil der Regelgröße stört, kann dieser durch ein geeignetes pneumatisches Filter oder eine Dämpfungsleitung 25 in der Leitung 35.1 unterdrückt werden. Wenige Meter Schlauchleitung reichen hier in der Regel bereits aus, um den Wechselanteil des Volumenstroms 35 mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz wirkungsvoll zu unterdrü­ cken. In Anlagen zur vielkanaligen Regelung von Volu­ menströmen sind üblicher Weise ohnehin größere Lei­ tungslängen zur Versorgung der Regelstrecken erforder­ lich, sodass die Unterdrückung der hochfrequenten Signalanteile automatisch ohne zusätzliche Maßnahmen er­ folgt.

Vorzugsweise sind Drosselblenden 5 vorgesehen, die eine einfache Bauweise aufweisen, um die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Volumenstrommessung bzw. der Volumenstrom-Regelungseinrichtung so gering wie möglich zu halten.

Beispielsweise kann die Drosselblende 5 bei Gasströmen einen Außendurchmesser von 4,2 mm aufweisen, wodurch eine leichte Fixierung in den ohnehin benötigten fle­ xiblen Rohrleitungen mit einem lichten Durchmesser von 4,0 mm ermöglicht wird. In diesem Fall kann der Innen­ durchmesser der Blenden 1,2 mm betragen. Dann beträgt die Länge der zylindrischen Blende typischerweise 5 mm, da dann insbesondere im Hinblick auf den Schlauchdurch­ messer die Rohreinlaufebene des Blendenrohrs auch bei geringem Integrationsaufwand senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Diese Angaben gelten für Anwendungen zur Volumenstrommessung im Bereich 0 < Q ≦ 500 l/h, wie sie beispielsweise in der Alumi­ nium-Stranggießtechnik zur Erzeugung eines Luftpolsters zwischen Kokille und flüssigem Aluminium üblich sind.

Die Vorrichtung zur Volumenstrommessung kann auch meh­ rere Drosselblenden 5 und ein oder mehrere Stellventile 19 aufweisen. Auch dabei ist darauf zu achten, dass die Frequenz des Überlagerungssignals 29, beispielsweise der Wechselspannung, in hinreichendem Abstand zur Reso­ nanzfrequenz des oder der Stellventile 19 gelegen ist, damit die von dem bzw. den Stellventilen 19 erzeugten Signalhübe, also die Volumenströme 35, weitgehend iden­ tisch sind und nicht von Exemplarstreuungen der dynami­ schen Ventilparameter beeinflusst werden. Werden die Drosselblenden 5 mit geringen Fertigungstoleranzen her­ gestellt, so führt dies zu reproduzierbaren Strömungs­ verhältnissen und garantiert einen hinreichenden Gleichlauf aller Messkanäle. Dadurch ist eine gemeinsa­ me Linearisierung aller Drosselblenden 5 mittels einer einzigenkalibrierten Kennlinie möglich.

Durch eine geeignete Wahl der Drosselblende 5 in Ver­ bindung mit geeignetem vorgeschalteten Feinfilter, lässt sich wirkungsvoll ausschließen, dass im Bereich der Blendenbohrung eine Querschnittsveränderung in Fol­ ge von Staubablagerungen auftritt und damit die Kennli­ nie der Drosselblende 5 verändert wird.

Als Rohmaterial zur Herstellung der Drosselblenden 5 ist vorzugsweise Messing aufgrund seines geringen Tem­ peratur-Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen.

Wie voranstehend ausgeführt, wird dem zeitweise anlie­ genden Stellsignal, dessen Höhe einem bestimmten, am zumindest einen Stellventil 19 einzustellenden Arbeits­ punkt entspricht, ein periodisches Wechselsignal 29 ü­ berlagert. Dadurch erfährt aufgrund der Betätigung des zumindest einen Stellventils 19 der Volumenstrom 35 ei­ nen zusätzlichen Wechselanteil. Bei der Regelung des Volumenstroms Q mit dem Regelkreis 3 hat der Wechselan­ teil keinen Einfluss, da dieser durch das Tiefpassfil­ ter 23 herausgefiltert wird. Jedoch wird sich der durch die Krümmung der Drosselblendenkennlinie erzeugte zusätzliche Gleichanteil im Volumenstrom wie eine Line­ arisierung der Blendenkennlinie aus, was im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wird:
Im unteren Teil der Fig. 2 ist beispielhaft eine Strom- Steuerkennlinie 50 mit Hilfe der Achse 51, auf der der Luftvolumenstrom Q in l/h aufgetragen ist, und mit Hil­ fe der Achse 52, auf der der Ventilsteuerstrom in der Einheit mA aufgetragen ist, dargestellt.

In der Darstellung der Fig. 2 wird der Arbeitspunkt 53 betrachtet, an dem ein Ventilsteuerstrom von 80 mA vor­ liegt. Erfindungsgemäß wird dieser Ventilsteuerstrom mit einem sinusförmigen Wechselstrom 55 überlagert. Durch den Wechselstrom 55 ergibt sich ein resultieren­ der Wechselanteil 56 des Volumenstroms, der eine posi­ tive Halbwelle 57 und eine negative Halbwelle 58 auf­ weist.

In der oberen Hälfte der Fig. 2 sind Blendenkennlinien 60a und 60b in einem Koordinatensystem dargestellt, das aus einer Achse 61, auf der der Volumenstrom Q in der Einheit l/h aufgetragen ist, und aus einer Achse 62, auf der der an der Blende 5 abfallende Wirkdruck oder Differenzdruck in Millibar aufgetragen ist, gebildet wird. Die Blendenkennlinie 60a stellt qualitativ den Verlauf einer Blendenkennlinie da, wie sie nach dem Stand der Technik, also ohne Beaufschlagung des Stell­ signals 17 mit dem Wechselsignal 29 entstehen würde. Im Vergleich zu dieser stellt die Blendenkennlinie 60b qualitativ eine Blendenkennlinie dar, die aufgrund der erfindungsgemäßen Überlagerung des Stellsignals 17 mit dem Wechselsignal 29 entsteht, das in der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 55 bezeichnet ist. Aus dem Vergleich der Kennlinie 60a, 60b ergibt sich, dass der nichtline­ are Verlauf der Kennlinie 60a bei der Kennlinie 60b we­ sentlich verringert ist.

Dieser Linearisierungseffekt kommt im ersten Teil 64 der Kennlinie 60a dadurch zustande, dass die positive Halbwelle 57 des Wechselanteils an der Blendenkennlinie in eine größere Differenzdruckhalbwelle gewandelt wird, als dessen negativen Halbwelle 58. Dies ist in Fig. 3 nochmals vergrößert dargestellt. Hieraus wird erkenn­ bar, wie aus einem alten Kennlinienpunkt A durch eine Arbeitspunktverschiebung infolge der Wechselstromüber­ lagerung und Gleichrichtung an der Kennlinie ein neuer Kennlinienpunkt N entsteht. Dadurch erfährt die positi­ ve Halbwelle 57 an der Blendenkennlinie eine größere Verstärkung als die negative Halbwelle 58. Diese Wir­ kung wird dadurch verstärkt, dass wegen des S-förmigen Verlaufs der Stromsteuerkennlinie Q = f(I_stell) des Stellventils 19 die positive Halbwelle 57 des Volumen­ stromwechselanteils bereits vor der Volumenstromwech­ selanteils bereits vor der Volumenstrom- Differenzdruckwandlung an der Blendenkennlinie größer ist, als die negative Halbwelle 58 des Volumenstrom­ wechselanteiles. Der resultierende Gleichanteil aus beiden Halbwellen führt zu einer Arbeitspunktverschie­ bung zu einem größeren Wirkdruck oder Differenzdruck 62 hin. Der verbleibende Wechselanteil beim Wirkdruck, der aufgrund des Wechselanteils 56 des Volumenstroms ent­ steht, findet sich im Rahmen der Regelung zunächst im Verlauf der Messspannung 37 wieder, wird jedoch mittels des Tiefpassfilters 23 elektrisch herausgefiltert.

Auf analoge Weise wird die Blendenkennlinie 60a in ih­ rem Teil 65 linearisiert. In diesem Bereich ist die Strom-Steuerkennlinie 50 (Q = f(I_stell) wegen ihres S- förmigen Verlaufs flacher, als in ihrem übrigen Be­ reich. Deshalb ist bei Werten des Volumenstroms, der zum zweiten Teil 65 der Blendenkennlinie 60a gehört, die positive Halbwelle 57 des resultierenden Wechselan­ teils 56 kleiner als dessen negative Halbwelle 58. In entsprechender Weise findet eine Arbeitspunkt- Verschiebung im zweiten Teil 65 der Blendenkennlinie 60a zu kleineren Wirkdrücken hin statt. Dies bewirkt eine Linearisierung der Blendenkennlinie 60a in ihrem zweiten Teil 65 durch eine Abflachung derselben.

Da insbesondere bei kleinen Werten des Volumenstroms 35, 51 die Nichttlinearität der Blendenfunktion 60a be­ sonders ausgeprägt ist, führt die erfindungsgemäße Vo­ lumenstrommessung gerade dort zu einer Verbesserung der Messempfindlichkeit, wo diese sonst aufgrund des extrem flachen Verlaufs der Blendfunktion sehr unzureichend ist. Dort wo die Kennlinie einen nahezu konstanten An­ stieg aufweist, also bei großen Volumenstromwerten, trägt die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht mehr zu einer Anhebung des Messsignals bei. Die nutzbare Mess­ dynamik des Differenzdrucks bzw. des dem entsprechenden Volumenstroms steigt also in dem geforderten Maße an.

Eine Verstellung bzw. Einstellung der Amplitude der Wechselspannung 29 kann vorgesehen sein, wodurch eine Anpassung derselben an das verwendete Stellventil 19 erreicht wird. Dadurch lässt sich die Messdynamik und damit der Regelbereich des Volumenstroms 35 um den Fak­ tor 2 bis 5 gegenüber der herkömmlichen Blendenmethode verbessern.

Die Erfindung ist insbesondere zur Volumenstrom- Regelung vorgesehen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Vergrößerung des Messbereiches von Vo­ lumenmesseinrichtungen für ein Fluid, mit einer Drosselblende (5), wobei der Druck des strömenden Fluids vor und hinter der Drosselblende (5) gemessen und die Druckdifferenz in ein von dem Volumenstrom abhängiges Signal umgewandelt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Volumenstrom in Strömungsrichtung vor der Drosselblende (5) durch ein periodisch ange­ steuertes Ventil (19) mit einem Wechselanteil beauf­ schlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckdifferenzsignal einem, auf die Fre­ quenz des Wechselanteils abgestimmten Tiefpassfilter zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet dass das in Strömungsrichtung vor der Drosselblende (5) angeordnete, elektrisch steuerba­ re und den Volumenstrom verändernde Ventil (19) mit einem periodischen Wechselstrom beaufschlagt wird.

4. Vorrichtung zur Messung eines Volumenstromes, mit einer in der das Fluid führenden Leitung (35.1) an­ geordneten Drosselblende (5), vor und hinter der Drosselblende (5) angeordneten Druckgebern (7) zur Bestimmung eines Differenzdruckes des Fluids mit ei­ nem Differenzdrucksensor (7) sowie mit einem in der Leitung (35.1) angeordneten, steuerbaren Ventil (19), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (19) in Strömungsrichtung vor der Drosselblende (5) ange­ ordnet und mit einem dem Durchsatz des Ventils (19) periodisch verändernden Stellglied (19.1) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang des Differenzdrucksensors (7) mit einem Tiefpassfilter (23) verbunden ist.

6. Volumenstrom-Regeleinrichtung mit einer in der das Fluid führenden Leitung (35.1) angeordneten Drossel­ blende (5), vor und hinter der Drosselblende (5) angeordneten Druckgebern (7) zur Bestimmung eines Differenzdrucks des Fluids mit einem Differenzdruck­ sensors (7), und mit einem Regelkreis (3), der ein Stellsignal (17) für ein Ventil (19) erzeugt, da­ durch gekennzeichnet, dass dem Regelkreis (3) ein Summierverstärker (21) nachgeschaltet ist, der das vom Regelkreis (3) kommende Stellsignal (17) mit ei­ nem Wechselsignal (29) beaufschlagt und dass das Ventil (19) in Strömungsrichtung vor der Drossel­ blende (5) angeordnet ist.

7. Volumenstrom-Regeleinrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, dass das Wechselsignal (29) von einem frequenz- und amplitudenstabilisierten Funktionsgenerator (22) erzeugt wird.

8. Volumenstrom-Regeleinrichtung nach einem der Ansprü­ che 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Re­ gelkreis (3) ein Tiefpassfilter (23) vorgeschaltet ist, der auf das Wechselsignal (29) abgestimmt ist und dessen Frequenz sperrt.

9. Volumenstrom-Regeleinrichtung nach einem der Ansprü­ che 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strö­ mungsrichtung hinter der Drosselblende (5) ein pneumatisches Filter (25) vorgesehen ist.