DE2250380A1 - Pneumatischer thermofuehler - Google Patents

Description

rv , I**""?" WP*η η ρ 13,üktober 1972

Dipi.-lng. A. WEDDE

DFpL-Ing. K. E M PL
München Schumannstr. 2

Akte: P 74öQ

NIPKIHMASCH
Sept.-Sname-Str. 18
Stara-Sagora /BULGARIEN

Pneumatischer Thermofühler

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Thermofühler geringer Trägheit zur direkten Steuerung eines Membranoder Kolbenservomotors nach dem PI- oder PID-Gesetz bei minimalem Verbrauch von Servoenergie.

Bekannt sind Thermofühler geringer Trägheit, dessen Meßorgan aus einem in einem Sicherheitsrohr geschützt angeordnetem Thermopaar oder einem Thermowiderstand bestehen. Diese Thermofühler haben folgende Nachteile:

Die Zeitkonstante des Fühlers ist mit dieser der Elementarglieder meßbar, die das lineare Modell der gegenwärtigen Wärmeaustauschapparate aufbauen, welches die dyna-

miscne Genauigkeit des Systems verscnlechtert. Bei ihnen muß das Ausgangssignal, um die notwendige Genauigkeit der Regelung zu erreichen, einen Regler passieren, Devor es dem Ausführungsmechanismus zugeführt wird, wodurch das System als Ganzes kompliziert wird.

Bekannt sind auch schnellwirkende elektrische Geber, die zu demselben Zweck benutzt werden· ihr wesentlicher Nachteil besteht in der geringen Betriebssicherheit beim Arbeiten in einem feuchten Medium,

Bekannt sind auch rein pneumatische Regelungssysteme mit einem iyießorgan in Form eines Thermoballons. Sie sind zwar betriebssicherer, aber die Zeitkonstante des i'hermofühlers ist noch größer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und sicheren Thermofühler zu schaffen, der unter beliebigen Betriebsbedingungen einsetzbar ist und imstande ist, Membran- oder Kolbenservomotore nach dem PID-Gesetz, in einem breiten linearen Bereich bei minimalem Verbraucn von Servoenergie (Luft), direkt zu steuern, wobei die Änderungen in der Reaktion des Servomotors und im Druck der servoenergischen Quelle nicht zu einem statischen

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Restfehler führen. Die prinzipielle Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß wie nachstehend:

Ausgegangen wird von dem bekannten Dehnungsmeßorgan, wobei ein Material für das thermoerapfindliche Rohr verwendet wird, das außer einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auch korrosionsbeständig ist und hohe t'estigkeitseigenschaften aufweist. Auf diese Weise dient das Sicherheitsrohr, das in einem breiten Druck- und Temperaturbereich sehr dünnwandig sein kann, auch als thermoempfindlicheB Organ. Axial ist im Rohr eine Stange angeordnet und starr mit seinem eingetauchten Ende mit dem Rohrende verbunden, das geschlossen ißt. Zum Unterschied gegenüber den bekannten Dehnungsthermostaten weist der Stab außer einem Invarabschnitt. auch einen Abschnitt auf, der aus dem gleichen oder einem gleichartigen Material wie das Rohr besteht.

Dieser letztgenannte Abschnitt befindet sich am oberen üinde der Stange und weist eine sphärisch geformte iindflache auf. Zwischen dem Rohr und der in ihm befindlichen Stange ist ein Spiel vorgesehen, dessen Größe die Zeitkonstante des Thermofühlers bestimmt, während das Vernältnis zwiscnen den Längen des mit dem Rohr gleichartigen Abschnittes und des Invarabschnittes der Stange den Proportionalitätsfaktor der Einwirkungsamplitude bestimmt,

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Das obere Ende des Rohrs 1st mit dem Gehäuse einer linear umschaltenden Drossel starr verbunden, die mit einer Vorgabeeinrichtung vereinigt ist und aus dem Rohr und der in ihm montierten Stange besteht· Im Gehäuse der Drossel ist ein Bett eingearbeitet, in dem das obere Ende des mit dem Rohr gleichartigen Abschnittes der Stange und ein frei auf ihr liegender Teller angeordnet sind. Dieses Bett ist mittels einer Bohrung mit einem in das Gehäuse der Drossel eingeschraubten Stutzen verbunden» Der obere Teil der Drossel in Form einer Kappe ist mit ihrem Gehäuse durch ein Mikrometer-Gewinde verbunden. In die Kappe sind zwei Stutzen eingeschraubt, von denen der eine axial auf der Kappe angeordnet iat, während sich der.andere senkrecht zu der Kappenachse und parallel zu dem am Gehäuse montierten Stutzen erstreckt. Zwischen dem Gehäuse und der Kappe befindet sich eine elastische Membrane mit verstärktem Umfangswulst und einer Öffnung in der Mitte, in der ein zylindrisches Ventil angeordnet ist. Das Ventil hat die Form eines Röhrchens mit vergrößerten Außendurchmessern an beiden Enden. Es liegt mit seinem oberen verstärkten Ende frei in einem unter dem senkrechten Stutzen der Drossel geformten Bett, während sein anderes Ende in der über dem Teller ausgearbeiteten Öffnung geführt wird.

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Die Membrane kann aus Kautschuk, Kunststoff oder anderem Material bestehen, das seine Elastizität bei Betriebstemperatur beibehält, um die freie Bewegung des Ventils zu erlauben. In der Kappe der Drossel unmittelbar über der Membrane ist ein freier Raum vorgesehen, der mittels Bohrung mit dem horizontalen Stutzen an diesem Teil der Drossel verbunden ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen pneumatischen Thermofühlers anhand der einen Schnitt veranschaulichenden Zeichnung erläutert;

In einem Rohr 11 ist eine Stange 4 mit sphärischem oberen Ende angeordnet, deren unteres Ende am bodenseitigen Ende des Rohres angelötet ist.

Die Stange 4 besteht aus zwei aneinandergeschweißten Teilen, und zwar einem unteren Abschnitt 12 aus Invar (Material minimaler thermischer Dehnung) und einem oberen Abschnitt 10 aus einem gleichartigen Material wie das Rohr. Das obere Ende des Rohres 11 ist am Gehäuse 9 der Drossel angeschweißt, während auf dem sphärischen Ende der Stange 4 ein Teller 8 frei aufliegt. Das Bett, in dem der Teller ö angeordnet ist, ist mittels einer Bohrung

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mit dem Ausgangsstutzen 5, der in das Gehäuse 9 der

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Drossel eingeschraubt ist, verbunden. Die Kappe der Drossel ist mit dem Gehäuse 9 mittels Gewinde verbunden, wobei zwischen ihnen eine Membrane 7 aus Kautschuk angebracht ist, deren wulstartig verstärkter Umfang als Dichtung dient und gleichzeitig das Spiel des Gewindes kompensiert. Der Jiingangsstutzen 3 und der Stutzen 1 für den gesteuerten Druck sind mittels Gewinde an der Kappe 2 der Drossel befestigt, in der in der Mitte der Membrane 7 befindlichen Öffnung ist ein zylindrisches ventil b angeordnet, dessen oberes, am Umfang verstärktes Ende frei in dem unter dem Stutzen 1 geformten Bett liegt. Der Raum, der sich unmittelbar über der Membrane 7 befindet, ist mittels einer Bohrung mit dem üingangsstutzen 3 verbunden.

Der Thermofühler wird durch den Stutzen 1 mit dem Steuerdruck und durch den Stutzen 3 und Ausgangsstutzen 5 mit dem Servomotor, auf den der oben erwähnte Druck einwirken wird, verbunden.

Die Vorgabe der gewünschten Sollwert-Temperatur erfolgt durch Drehung der Kappe 2 in dem Mikrometefc-Gewinde, das sie mit dem Gehäuse 9 verbindet. Der wulstartig ver-

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stärkte Umfang der Membrane 7 dient nicht nur zur Diefet-ung und zur Beseitigung des GewindeSpiels, sondern auch zur Fixierung der Einstellung.

Bei stufenartiger Änderung der überwachten 'iemperatur ändert das thermoempfindliche Rohr 11 praktisch trägheits~ los seine Temperatur, während im ersten Augenblick die Stange 4 wegen des Luftspaltes zwischen ihr und dem Rohr ihre Temperatur nicht verändert und somit auch nicht ihre Länge. Entsprechend der thermischen Zeitkorostanten der Stange wird sich diese nach einiger Zeit erwärmen, wodurch die entsprechende Länge von dem Rohr allmählich ausgeschaltet wird.

Im stationären Zustand hat das freie Ende der Stange 4 eine solche Lage, daß der Teller 8 die zentrale Öffnung des Ventils 6 schließt, ohne es von seinem Sitz in der Kappe 2 abzuheben. Der Stutzen 1 ist dann pneumatisch sowohl von dem Eingangsstutzen 3 als auch von dem Ausgangsstutzen 5 getrennt, so daß sich der Steuerdruck nicht verändert.

Bei stufenartiger Änderung der überwachten Temperatur ändert das-tnermoempfindlicne Rohr 11 praktisch träg-

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heitslos seine Temperatur entsprechend! während im ersten Augenblick die Stange 4 wegen des Spiels keine ϊβηι-peraturänderung erfährt und somit auch keine Längenänderung durchführt. Allmählich wird die Stange entsprechend ihrer thermischen Zeitkonstanten sich auch zu erwärmen beginnen, womit die entsprechende Länge des Kohrs allmählich vom Dilatationseffekt ausgeschaltet wird· Fast unmittelbar nach der stufenartigen Änderung der überwachten Temperatur wird das freie "binde der Stange 4 schnell um eine Strecke verschoben, die von der gemeinsamen Länge des Thermofühlers bestimmt wird, während sich nach erfolgtem Wärmeübergang zum Abschnitt 10 der Stange 4 die Verschiebung des jjJndes bis auf einen Wert vermindert, der von der Länge des Invarabschnittes 12 bestimmt wird. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der Temperaturänderung wird der Steuerdruck eine pneumatische Verbindung entweder mit dem Eingangsstutzen 3 oder mit dem Ausgangsstutzen 5 erhalten. Dies erfolgt durch das Abheben des Ventils b vom Teller 8, wobei der Stutzen 1 eine verbindung mit dem üiingangsstutzen 3 erhält, aber eine Trennung des Ausgangsstutzenss 5 erfolgt. Beim Sinken der Temperatur trennt sich der Teller ö vom Ventil b und durcft seine zentrale Öffnung wird die pneumatiscne verbindung mit dem Ausgangsstutzen 5 hergestellt.

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Die ütfrfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die Vorgabe der gewünschten Temperaturabstimmung erfolgt leicht und mit großer Genauigkeit. Die Störung infolge der Gegenwirkung des Regulierorgans oder des Druckes des Steuerfluids (Luft) wirkt auf die Geschwindigkeit des Übergangsprozesses ein, nicht aber auf den Sollwert der geregelten Temperatur. Der Verbrauch des Bnergiefluids ist minimal. Es ist auch eine Anwendung in Systemen zur automatischen Regelung von Wärmeprozessen bei verschiedenen Arten von Wärmeaustauschern möglich.

F/Sp 6

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Claims (1)

1. 2750380

   Patentanwälte DlpUng. A. WEDDE_- , _

   Dipl.-lng. K. EMPL

   Mönchen Schumannetr. 2 13. Oktober 1972

   .40 ·

   Aktei P 74öO

   PATE N Ϊ A N S P R Ü C H Ϊ

   l.j Pneumatischer Thermofühler zur direkten Steuerung eines membran- oder üolbenservomotors mit einem Geberglied und mit einer linear umschaltenden Drossel, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberglied aus einem Rohr (11) und einer in ihm axial angeordneten, aus zwei aneinandergeschweißten Abschnitten (10, 12) verschiedenem Materials gebildeten Stange (4) besteht, daß das Rohr (11) mit seinem oberen Ende starr am Gehäuse (9) der Drossel befestigt ist, das seinerseits mit der Kappe (2) der Drossel durch ein Gewinde verbunden ist, und daß zwischen dem Gehäuse und der Kappe eine elastische i4embrane (7) mit verstärktem Umfang liegt, in deren zentralen öffnung ein zylindrisches Ventil (6) angeordnet ist, während auf dem sphärischen Ende der Stange (4) ein Teller (8) frei aufliegt.

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   2« Pneumatischer Thermofühler nach Anspruch 1, d a ~ durch gekennzeichne t, daß die Stange (4) starr am unteren geschlossenen Jj)nde des Rohrs (11) befestigt ist, und daß der untere Stangenabschnitt (12) aus Invar besteht, während der ooere Stangenabschnitt (10) aus einem gleichartigen ■ Material wie das Rohr (U) besteht.

   3. Pneumatischer Thermofühler nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß das zylindrische Ventil (6) die ij'orm eines Röhrchens hat, einen verstärkten Außendurchmesser an beiden jiinden aufweist und frei mit seinem oberen Ende in einem Bett unter einem Stutzen (1) liegt, der mit einem üewinde in den oberen Teil der Kappe (2) eingescnraubt ist, während das untere Jtfnde des Tentils (b) durch eine Öffnung im Gehäuse (9) unmittelbar über den Teller (8) geführt ist.

   4. Pneumatischer Thermofühler nach den Ansprücnen 1-3, dadurcii gekennzeichnet, daß ein an. der ivappe (2) befestigter Eingangs stutzen (3) mittels einer Bohrung mit dem Kaum über der elastischen iiomui-ane (7) verbunden ist, wanrend der andere

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   Ausgangsscutzen (5 j an dem uenäuse (9) Gefestigt ist und durcn iionrung mit einem im (Jenäuse {9) eingearbeiteten bett verbunden ist, in dem das sphäriscne iJnde der Stange ^,4; und der Teller angeordnet sind.

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