DE2233001C3 - Vorrichtung zur Regelung des Drucks unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs \.

Eine derartige Vorrichtung wird insbesondere benötigt, wenn die Flüssigkeit im geschlossenen Behälter, der z. B. eine Gießvorrichtung ist, zwar abnimmt, jedoch der Druck unterhalb des Flüssigkeitsspiegels auf einem konstanten Wert gehalten werden soll, um auch den Durchsatz der aus dem Behälter ausfließenden Flüssigkeit konstant zu halten, um so eine konstante Dosierung von Flüssigkeit zu erzielen.

Die Druckregelung unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels trifft auf besondere Schwierigkeiten, wenn die Flüssigkeiten aggressiv sind, insbesondere geschmolzene Aluminiumlegierungen, wobei auch die hohen Temperaturen zu berücksichtigen sind. In diesem Fall können nicht ohne weiteres ansonsten für sich bekannte Druckregel-Vorrichtungen eingesetzt werden.

Bei bisher bekannten Vorrichtungen zur Regelung des Drucks unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels durch Steuerung des Drucks eines gasförmigen Mediums wird dessen Zufuhr in den Behälter durch die Druckabweichung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels vom Sollwert gesteuert. Mit anderen Worten, der Druck des gasförmigen Mediums wirkt nur über die Flüssigkeit und einen in die Flüssigkeit eingetauchten Fühler auf die Zuführeinrichtung des gasförmigen Mediums ein.

Bei aggressiven Flüssigkeiten wie geschmolzenen Aluminiumlegierungen können bisher nicht schnell ansprechende Druckfühler verwendet werden, die die Lageänderung kleiner Kolben oder die Deformation elastischer Glieder entsprechend dem Flüssigkeitsdruck erfassen. Es gelangen daher nur verhältnismäßig langsam arbeitende Druckfühler zum Einsatz, die den Druck mittels der Höhe einer Flüssigkeitssäule in einem Meßrohr erfassen, oder etwas schneller arbeitende Fühler, die den Druck entsprechend der Auftriebskraft messen, die von der Flüssigkeit auf einen in sie eingetauchten Körper ausgeübt wird, in welch letzterem Fall der Druck des gasförmigen Mediums nicht mehr miterfaßt wird.

Da aber die Druckregelvorrichtung nicht schneller als ihr langsamster Bauteil arbeiten kann, nämlich der Druckfühler, benötigen die bisherigen Druckregelvorrichtungen eine verhältnismäßig große Ansprechzeit

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, hat man verschiedene Vorkehrungen getroffen, die aber mit anderen Nachteilen verbunden sind.

So muß z. B. oberhalb des Flüssigketaspiegels im Behälter stets ein verhältnismäßig großer Raum nur für das gasförmige Medium freigelassen werden, d. h. die Raumausnutzung des Behälters zum Füllen mit Flüssigkeit ist verhältnismäßig schlecht.

Außerdem muß die Zufuhr des gasförmigen Mediums stark gedrosselt werden, was einerseits die Vorrichtung stärker abhängig von sich ändernden Undichtigkeiten des Behälters macht und andererseits eine stärkere Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Druckänderungen von der Flüssigkeitsmenge im Behälter mit sich bringt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie wesentlich schneller auf Druckänderungen als die bisher bekannten Vorrichtungen anspricht.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet durch die Lehre nach dem Anspruch 2.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen vor allem den Vorteil, daß die Druckregelung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels viel schneller ablaufen kann, da die Druckabweichungen des gasförmigen Mediums oberhalb des Flüssigkeitsspiegels vom Sollwert sofort erfaßt werden können, weil der entsprechende Druckfühler nicht mit der aggressiven Flüssigkeit in Berührung kommt, so daß er eine schnell ansprechende Bauweise haben kann. Einflüsse sich ständig ändernder Undichtheiten und eines großen Volumens des Behälters auf die genaue Tätigkeit der Druckregelvorrichtung sind ausgeschlossen, da die Zuführeinrichtung des gasförmigen Mediums entsprechend den Druckschwankungen des gasförmigen Mediums dessen Zufuhr schnell anpaßt

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Anwendung zur Dosierung von Metallen beschränkt, sondern überall geeignet, wo der Druck unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels oder eine mit diesem Druck zusammenhängende Größe, z. B. die Lage des Flüssigkeitsspiegels oder der Durchfluß von Flüssigkeiten, geregelt werden muß, insbesondere wenn die Flüssigkeiten aggressiv und/oder heiß sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren F i g. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gezeigt sind; während Fig.4 bis 6 gewisse Einzelheiten darstellen, und zwar von F i g. 3.

Nach F i g. 1 befindet sich in einem durch einen Deckel 13 verschlossenen Behälter 6 eine Flüssigkeit 4 und ein in diese getauchter Körper 16, der in Verbindung mit einem Faltenbalg 15 einen Druckfühler 3 bildet. Oberhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 befindet sich ein gasförmiges Medium 2, das über ein Stellventil 1 aus einem Luftnetz 14 zugeleitet wird. Die Lage eines Arbeitsspiegels 44 unterhalb der umgebenden Atmosphäre 18 ist durch den Druck in einer öffnung 17 bestimmt, der von der Menge der Flüssigkeit 4 im Behälter 6 und vom Druck des gasförmigen Mediums 2 abhängig ist. Es werden beispielsweise unter dem Arbeitsspiegel 44 in die Flüssigkeit 4 Gegenstände eingetaucht, die für eine Oberflächenbehandlung be-

stimmt sind, oder es wird Flüssigkeit 4 für eine weitere Verarbeitung entnommen. In beiden Fällen wird gefordert, den Arbeitsspiegel 44 unabhängig von der Menge der Flüssigkeit 4 im Behälter 6 auf gleicher Höhe zu halten.

Der Druck unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 wird durch den Druckfühler 3 gemessen, und der gemessene Wert wird in einem Vergleicher 5 mit dem Sollwert des Drucks verglichen, der durch einen handbetätigten Sollwerteinsteller 7 eingestellt wird, ι ο Sofern der Istwert des Drucks niedriger ist als der Sollwert, sendet der Vergleicher 5 in einen Stellantrieb 9 einen Impuls zur Erhöhung der Kraft auf dem Stellventil 1. Das gasförmige; Medium 2 beginnt, aus dem Luftnetz 14 in den Behälter 6 zu strömen und erhöht den Druck unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4. Sobald der Druck den Sollwert erreicht, hört der Stellantrieb 9 auf, die Kraft durch Einwirkung des Vergleichers 5 zu erhöhen. Falls der Istwert des Drucks unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 höher ist als der Sollwert, sendet der Vergleicher 5 ein negatives Signal, und der Stellartrieb 9 setzt die Kraft herab. In beiden Fällen wird das Einlassen und Ablassen des gasförmigen Mediums 2 unterbrochen, sobald sich die Kräfte eines Druckmeßantriebs 10 und des Stellantriebs 9 ausgleichen, d. h. sobald der Druck des gasförmigen Mediums 2 im Behälter 6 den durch die Einstellung des Stellantriebs 9 bestimmten Wert erreicht Der Kreis des Stellantriebs 9 ist langsam und reagiert deshalb nur, solange sich der mittlere Druckwert unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 von dem Sollwert unterscheidet, während der Druckmeßantrieb 10 zusammen mit dem Stellventil 1 schnell arbeitet und auch auf kurzfristige Druckänderungen des gasförmigen Mediums 2 reagiert.

Im Bedarfsfall einer Druckänderung unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 auf einen anderen Wert setzt ein Zeitrelais 12 für die eingestellte Zeit einen Steuerantriob 11 in Tätigkeit und unterbricht über einen Unterbrecher 8 den Kreis des Stellantriebs 9. Der Steuerantrieb 11 ändert das Kräftegleichgewicht am Stellventil 1, das in Richtung der Kraft des Steuerantriebs 11 weiteres gasförmiges Medium 2 oberhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 einläßt oder einen Teil des gasförmigen Mediums 2 in die umgebende Atmosphäre abläßt, bis der Druck des gasförmigen Mediums 2 den Wert so ändert, daß die Kraft des Druckmeßantriebs 10 die Wirkung des Steuerantriebs 11 ausgleicht. Dadurch wird gleichzeitig ein anderer Sollwert des Drucks unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 oder eine andere gewünschte Höhe des Arbeitsspiegels 44 erreicht. Nach Beendigung der Tätigkeit des Zeitrelais 12 wird der ursprüngliche Zustand erneuert.

Eine andere beispielsweise Ausführung der Vorrichtung nach der Erfindung ist in F i g. 2 wiedergegeben. Der Behälter 6 hat einen Meßraum 19 und eine öffnung 17, durch die die Druckwerte unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 ausgeglichen werden. Der Vergleicher 5 wird unmittelbar durch den Druckfühler 3 gebildet, der den Druck unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 entsprechend der Lage erfaßt, z.B. in Form eines elektrischen Kontakts. Durch die Lage des Druckfühlers 3 wird der Sollwert des Drucks unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 eingestellt. Das Stellventil 1 ist mit dem Luftnetz 14 und mit dem Behälter 6 verbunden und wird durch Verbindung mit dem Druckmeßantrieb 10, dem Stellantrieb 9 und dem Steuerantrieb 11 betätigt. Der Stellantrieb 9 wird durch einen Stellmotor 24 und durch eine Feder 25 gebildet. Diese Ausführung ist z. B. zur Förderung der Flüssigkeit 4 aus dem Behälter 6 während der Wirkung des mit dem Zeitrelais 12 verbundenen Steuerantriebs 11 bestimmt, und es wird eine Umstellung des Stellantriebs 9 von Hand nach jedem Nachfüllen des Behälters 6 durch die Flüssigkeit 4 vorausgesetzt Deshalb gleicht der Stellmotor 24 in Verbindung mit dem Druckfühler 3 automatisch nur die Einflüsse der Abnahme der Flüssigkeit 4 im Behälter 6 aus.

Eine Feder 25 wirkt auf das Stellventil 1 durch eine ständige Kraft ein, bis der Spiegel der Flüssigkeit 4 im Meßraum 19 sich im Kontakt mit dem Druckfühler 3 befindet Sobald dieser Kontakt unterbrochen wird, erhöht der Stellmotor 24 die Kompression um die Kraft der Feder 25, solange der Spiegel der Flüssigkeit 4 den Kontakt mit dem Druckfühler 3 nicht erneuert, wodurch wieder eine weitere Erhöhung der Kraft auf die Feder 25 unterbrochen wird. Der Druckmeßantrieb 10 wirkt auf das Stellventil 1 analog wie in dem vorhergehenden Fall und hält den Druck des gasförmigen Mediums 2 auf dem von der Feder 25 eingestellten Wert, solange der Steuerantrieb 11 sich in Ruhelage befindet. Nach Ingangsetzung des Relais 12 ändert der Steuerantrieb 11 das auf das Stellventi! 1 einwirkende Kräftegleichgewicht über das das gasförmige Medium 2 zu strömen beginnt, und der Druck im Behälter 6 wird erhöht, solange durch den Druckmeßantrieb 10 nicht die auf das Stellventil 1 einwirkenden Kräfte ausgeglichen werden und dadurch auch das Stellventil 1 in Ruhelage gebracht wird. Die Druckerhöhung bewirkt eine Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels 5 im Meßraum 19 und den Ausfluß der Flüssigkeit 4 aus dem Behälter 6 mit gleichbleibender Geschwindigkeit, da der Spiegel der Flüssigkeit 4 im Behälter 6 sich sehr langsam ändert und den Druck unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 4 in der kurzen Zeit der Tätigkeit des Zeitrelais 12 nicht wesentlich beeinflussen kann. Das Stellventil 1 hält die Druckabweichungen des gasförmigen Mediums 2 automatisch mit Hilfe des Druckmeßantriebs 10 auf dem nötigen Wert. Nach Beendigung der Tätigkeit des Zeitrelais 12 erlischt die Kraft des Steuerantriebs 11, durch Einwirkung des Kraftüberschusses des Druckmeßantriebs 10 läßt das Stellventil 1 diesen Überschuß des gasförmigen Mediums 2 aus dem Behälter 6 ab, der ursprüngliche Gleichgewichtszustand wird erneuert, und der Abfluß der Flüssigkeit 4 aus dem Behälter 6 wird unterbrochen. Der Unterbrecher 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nicht notwendig, da während der Tätigkeit des Zeitrelais 12 der Stellantrieb 9 aufgrund der angeführten Eigenschaften des Stellmotors 24 und des Druckfühiers 3 in Ruhe'age bleibt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig.3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zur Erfassung des Flüssigkeitsspiegels durch den Schwimmer noch der Gasdruck oberhalb des Flüssigkeitsspiegels erfaßt, so daß beide Meßgrößen zusammen den Istwert der Regelgröße darstellen. Der Behälter 6 wird durch einen Ofen 29 gebildet, und die Flüssigkeit 4 ist eine geschmolzene Aluminiumlegierung 30. Der Ofen 29, der durch einen Deckel 13 verschlossen ist, mündet unter dem Spiegel der geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 über eine öffnung 17 und ein Steigrohr 31 in eine Preßkammer 32 einer Druckgießmaschine 33. Ein Folgeregler 22 des Spiegels der geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 wird durch einen Schwimmer 20, einen Bewegungsvergleicher (Bewegungsdifferen-

tial) 21 und einen Stellmotor 24 gebildet, der gleichzeitig mit einem verstellbaren Getriebe 26 und einer Feder 25 den Stellantrieb 9 bildet. In den Kreis des Stellventils 1 ist ein Kondensatabschneider 42 und ein Sicherheitsventil 43 geschaltet. Der Steuerantrieb 11 wird durch einen Kolben 28 und eine Hilfsfeder 27 gebildet und wird durch ein Zeitrelais 12 über einen Endschalter 36 betätigt, der in der Ruhelage 35 eines Preßkolbens 34 die Tätigkeit des Steuerantriebs 11 verhindert Der Stellmotor 24 ist mit einem Ausgangsgrößenfühler 23 verbunden, mit Hilfe dessen die Größe eines Rests 40 in Stellungen 37 und 38 der Druckgießmaschine 33 gemessen wird.

Der Schwimmer 20 wird z. B. aus einem Material von kleinerem spezifischem Gewicht als die Aluminiumlegierung 30 hergestellt und schwimmt deshalb auf dem Flüssigkeitsspiegel. Der Bewegungsvergleicher 21 wirkt auf den Stellmotor 24 systematisch derart ein, daß er die Lage des Schwimmers verfolgt. Falls sich eine größere Abweichung zwischen der Lage des Stellmotors 24 und des Schwimmers 20 ergibt als die zulässige Abweichung, sendet der Bewegungsvergleicher 21 ein positives oder negatives Signal in den Stellmotor 24, und seine Lage beginnt, sich entsprechend dem Sinn der Abweichung der Lage zu heben oder zu senken, solange die Lageabweichung nicht unterhalb der erlaubten Abweichung sinkt Dadurch wird eine automatische Verfolgung des Spiegels der geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 durch den Stellmotor 24 sowohl beim Fallen als auch beim Steigen des Flüssigkeitsspiegels erzielt, wenn die Aluminiumlegierung 30 in den Ofen nachgefüllt wird. Das verstellbare Getriebe 26, das die Lage des Stellmotors 24 auf das Zusammendrücken und die Kraft der Feder 25 überträgt, ist so eingestellt daß der Zuwachs der Kraft auf die Feder 25 bei der Lageänderung des Schwimmers 20 dem Zuwachs der Kraft des Druckmeßantriebs 10 gleich ist den eine Druckänderung des gasförmigen Mediums 2 hervorrufen würde, wenn sie den Einfluß der Änderung des Spiegels der geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 auf den Druck unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ausgleichen sollte. Aus dieser Bedingung wird die Einstellung des verstellbaren Getriebes 26 bestimmt Das Stellventil

I gleicht systematisch jede Druckänderung unterhalb des Spiegels der Aluminiumlegierung 30, die durch Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Ofen 29 hervorgerufen wurde, durch Betätigung des Druckes des gasförmigen Mediums 2 derart aus, daß die Kräfte des Druckmeßantriebs 10 und der Feder 25 im Gleichgewichtszustand bleiben, dem der ständige Wert des Drucks unterhalb des Flüssigkeitsspiegels und die ständige Lage des Flüssigkeitsspiegels im Steigrohr 31 entsprechen.

Wenn sich der Preßkolben 34 in der Ruhelage 35 befindet, wirkt ein Finger 41 auf den Endschalter 36, der eine Einwirkung des Zeitrelais 12 auf den Steuerantrieb

II ermöglicht In diesem Fall drückt nach Ingangsetzung des Zeitrelais 12 der Kolben 28 die Hilfsfeder 27 nieder, und durch die Tätigkeit des Stellventils 1 und des Druckraießantriebs 10 erhöht sich der Druck des gasförmigen Mediums 2, wodurch der Druck unterhalb des Flüssigkeitsspiegels erhöht wird, und die geschmolzene Aluminiumlegierung 30 beginnt, aus dem Steigrohr 31 in die Preßkammer 32 auszufließen. Die Dosis 39 der ausgeflossenen geschmolzenen Aluminiumlegierung 30 wird durch das Zeitrelais 12 eingestellt und ist vom Druck unterhalb des Flüssigkeitsspiegels und vom

Querschnitt der öffnung 17 abhängig. Soweit der Druck unter dem Flüssigkeitsspiegel den Sollwert nicht erreichen sollte, würden sich die Druckwirkungen ändern, was im gegebenen Fall die Größe der Dosis 39 verstellen würde. Die Änderungen der Dosis 39

ίο kommen nach dem Einpressen der Dosis 39 mit Hilfe des Preßkolbens 34 in einer Änderung des Rests 40 zum Ausdruck, die durch den Ausgangsgrößenfühler :23 in den Stellungen 37 oder 38 gemessen wird. Der Ausgangsgrößenfühler 23 wirkt auf den Stellmotor 24

is derart daß bei einem kleinen Rest 40 nach der Stellung 37 eine kleine Lageänderung des Stellmotors 24 hervorgerufen wird und dadurch auch gleichzeitig eine geringe Erhöhung der Kraft auf die Feder 25, wodurch eine laufende Erhöhung des Rests 40 erreicht wird,

ίο solange nicht dessen nötige Größe erreicht wird. Falls umgekehrt die Stellung 38 eintritt und der Rest 40 zu groß ist wirkt der Ausgangsgrößenfühler 23 auf den Stellmotor 24 analog ein, nur mit dem Unterschied, daß er eine geringe Herabsetzung der Kraft auf die Feder 25 und dadurch gleichzeitig auch eine Verringerung; des Drucks unter dem Flüssigkeitsspiegel hervorruft. Der Ausgangsgrößenfühler 23 wirkt dabei auf den Stellmotor 24 in den Grenzen der Unempfindlichkeit des Bewegungsvergleichers 21, die in genügendem Ausmaß vorgegeben sind, so daß die Lage des Stellmotors 24 und damit gleichzeitig der Wert des Drucks unter dem Flüssigkeitsspiegel durch die Tätigkeit des Bewegungsvergleichers 21 ungefähr eingestellt und die Feineinstellung durch die Tätigkeit des Ausgangsgrößenfühlers 23 korrigiert wird. Sofern der Rest 40 so groß ist wie gefordert setzt der Ausgangsgrößenfühler 23 den Stellmotor 24 überhaupt nicht in Tätigkeit und die Kraft der Feder 25 ändert sich nicht

Der Ausgangsgrößenfühler 23 gleicht mögliche weitere Einflüsse auf die Größe des Rests 40 aus, wie z. B. den Einfluß der langsamen Änderungen des Querschnitts der Öffnung 17 oder den Einfluß der Änderung der Viskosität der geschmolzenen Aluminiumlegierung 30, gegebenenfalls den Einfluß der kleinen Änderungen der im Zeitrelais 12 eingestellten Dosierungszeit Das verstellbare Getriebe 26 kann gegebenenfalls etwas unterschiedlich eingestellt werden, als oben angeführt wurde, falls dadurch beispielsweise die Kompensation des Einflusses großer Volumina des gasförmigen Mediums 2 auf die Größe der Dosis 39 oder des Rests 40 erreicht werden soIL Der Kondensatabscheider 42 beseitigt aus dem gasförmigen Medium 2 die unerwünschten Komponenten. Ein Sicherheitsventil 43 schätzt den_ Raum des Ofens 29 vor einem

unerwünschten Oberdruck im Fall eines Defekts der Vorrichtung.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat breite Ausbüdiingsmöglicnkeiten, insbesondere was die Bildung einzelner Komponenten, die Wahl deren physika-Sscher Prinzipien und die Möglichkeiten einer Kombination mehrerer Dnackfühler gleichzeitig anbelangt, wie es sich entsprechend der konkreten Anwendung als günstig erweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung des Drucks unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels, insbesondere von geschmolzenen Aluminiumlegierungen, in einem geschlossenen Behälter durch Steuerung des Drucks eines gasförmigen Mediums oberhalb des Flüssigkeilsspiegels, gekennzeichnet durch einen den Druck des gasförmigen Mediums oberhalb des >° Flüssigkeitsspiegels unmittelbar erfassenden Fühler, dessen Ausgangssignal mittelbar oder unmittelbar zusätzlich das Stellglied für die Zufuhr des gasförmigen Mediums steuert

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Druck des gasförmigen Mediums oberhalb des Flüs-igkeitsspiegels unmittelbar erfassende Fühler ein Druckmeßantrieb (10) ist, der das Stellglied für die Zufuhr des gasförmigen Mediums unmittelbar steuert.