-
Vorrichtung zur Verstellung des beweglichen Gliedes eines thermischen
Antriebes Die Erfindung hetrifft eine Vorrichtung zur Verstelluna des beweglichen
Gliedes eines thermischen Antriebes, der ein Ausdehnungsmedium aufweist, dessen
Temperatur, die die Stellung des beweglichen Gliedes bestimmt, mittels eines mit
ihm in wärmeaustauschender Verbindung stehenden elektrischen Heizwiderstandes beeinflußbar
ist.
-
Es ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt (OS 1 935 187) bei der
innerhalb des Ausdehnungsmediums des thermischen Antriebes außer dem Heizwiderstand
noch ein Temperaturfühler zum Fühlen der Teirperatur des Ausdehr,ungsrediums vorgesehen
ist. Der Widerstand des Temperaturfühlers ist einem Regler als pückführgröße aufgeschaltet.
Der Regler dient hierbei der Regelung von Raumtemperaturen. Diese storrichtung hat
zwar an sich ein gutes Regelverhalten. Nachteilig ist jedoch die Verwendung von
zwei gesonderten elektrischen Komponenten im Ausdehnungsmedium, der hierdurch bedingte
bauliche Aufwand und der regelungstechnische Nachteil der zeitlichen Verzögerung
zwischen den Temperaturen des Meizwiderstandes und des Temperaturfühlers, was Beschränkungen
auferlegt, um ein stabiles Regelverhalten zu gewährleisten.
-
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der der bauliche Aufwand vermindert ist und die die
Erzielung eines besonders günstigen Regelverhaltens beziehungsweise Steuerverhaltens
ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorgesehen, daß der elektrische Heizwiderstand ein temperaturabhänqiger Widerstand
und in einen Zweig einer elektrischen Brückenschaltung zwischengeschaltet ist, daß
die Brückenschaltung ferner mindestens einen variable Steuerwiderstand aufweist
und die Brückendiagonalspannuna den Eingang eines Operationsverstärkers beaufschlagt,
dessen
Ausgang die Brückenspeisespannung derart steuert, c.a? die
Temperatur des Heizwiderstandes bei auftretender Brükkenverstimmung durch den ihn
durchfließenden Stror in cinne einer Verkleinerung der Diaconalspannung geändert
wird.
-
Da der Heizwiderstand gleichzeitig als Rückführwiderstanr dient, treten
zwischen der Temperatur des Heizwiderstandes und dem "Rückführsingal" keine zeitlichen
Verzögerungen auf, was sich günstig auf das Steuer- bzw. Regelverhalten auswirkt.
Und zwar kann der thermische Antrieb sowohl Steuerungszwecken als auch Regelungszwecken
dienen. Im Falle von Steuerungszwecken kann beispielsweise der Steuerwidertand ein
manuell verstellbarer oder in Abhangigkeit von Steuergrössen sich selbsttätig ändernder
oder motorisch verstellbarer Widerstand sein. Auch bei regelungstechnischen Einsatz
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Steuerwiderstand ein motorisch verstellbarer
Widerstand oder ein Widerstand sein, der direkt von der zu regelnden Größe, beispielsweise
einer Temperatur, Druck oaer dergleichen, beeinflußt wird. Im Falle einer Temperaturregelung
kann deshalb vorteilhaft der Steuerwiderstand der die zu regelnde Temperatur fühlende
Temperaturfühler sein. Im Falle einer Druckregelung kann er ein druckabhängiger
Widerstand sein, usw..
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich folglich sowohl für Steuerungs-
als auch für Regelungszwecke, wobei in beiden Eilen die Temperatur des Heizwiderstandes
durch die Prükkenschaltung in Abhangigkeit des Widerstandswertes des cteuerwiderstandes
geregelt wird. Sie hat u. a. den Vorteil, def
keine Zeitverzögerungen
zwischen der Temperatur des Heizwiderstandes und der Rückführgröße eintritt, da
der Heizwiderstand gleichzeitig den Rückführwiderstand bildet, was auch bei extrem
großem Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers ein stabiles Verhalten der Brückenschaltung
ergibt. Es ist deshalb mit Vorteil möglich, einen Operationsverstärker zu verwenden,
der einen sehr hohen sSerstärkungsgrad von beispielsweise lo bis 106 hat. Dabei
kann der Operationsverstärker von billiger, baulich einfacher Art sein, vorzugsweise
ein Geradeausverstärker sein, d.h. ein Verstnrker ohne Gegenkopplung sein. Selbstverständlich
sind auch andere Ausführungsformen von Operationsverstärkern anwendbar einschließlich
selcher mit Gegenkopplung.
-
Der Operationsverstärker kann zumindest im allgemeinen zweckmäßig
bereits durch geringe Eingangsdifferenzspannungen ausgesteuert werden.
-
Den Heizwiderstand kann man innerhalb des Ausdehnungsmediums des thermischen
Antriebes anordnen oder ihn gegebenenfalls auch auf andere geeignete Weise so anordnen,
daß die gewünschte wärmeaustauschende Verbindung besteht. Wie erwähnt, dient der
Heizwiderstand gleichzeitig auch als Temperaturfühler für die Temperatur des Ausdehnungsmediums,
da sein Widerstand abhängig von seiner Eigentemperatur und damit abhängig von der
Temperatur des Ausdehnungsmediums ist. Letztere Temperatur bestimmt die jeweilige
Stellung des beweglichen Gliedes des thermischen Antriebes.
-
In der Zeichnung ist ein Rusfilhrungsbeispiel der Frfindung dargestellt.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen thermischen Antrieb in Anwendung
auf ein Ventil, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindurcsgemäßen Brückenschaltung,
wie sie beispielsweise in Verbindung mit der' thermischen Antrieb des Ventiles nach
Fig. 1 verwendet werden kann, wobei nur die elektrischen Grundkomponenten der Schaltung
caraestellt sind und diese Schaltung je nach Wunsch oder Erfordernis durch weitere
elektrische Komponenten ergänzt werden kann, Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung
nach den Figuren 1 und 2, das eie Temperaturregelung eines Gebäuderaumes zeigt.
-
Das in Fig. 1 dargestellte thermohydraulische Ventil lo t ein Gehäuse
11 mit einem Ventilsitz 12 und ein mit dem Sitz 12 zusammenwirkendes Ventilglied
13, das an einer Stange 14 befestigt und als Ventilkegel ausgebildet ist. Die Stange
14 ist in einer öffnung 15 des Gehäuses 11 verschiebbar geradegeführt und mit einem
Kolben 16 verbunden, der in einer Ausnehmung 17 eines Z ylinders 18 axial verschiebbar
abgedichtet
geführt ist. Anstelle des Kolbens 16 könnte auch eine
Membran, ein Faltenbalg oder dergleichen vorgesehen sein.
-
Nach unten ist der Zylinder 18 durch ein Formstück 19 abaeschlossen,
das von der Stange 14 durchdrungen wird und das den Zylinder 18 mit dem Gehäuse
11 verhindet. Zwischen dem Kolben 16 und dem Formstück 19 ist eine mit der Stanae
14 gleichachsige Druckfeder 22 vorgesehen, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist,
bestrebt ist, das Ventilglied 13 an den Ventilsitz 12 anzudrücken und damit den
Durchganc von dem einen Anschluß 23 zu dem anderen Anschluß 24 des Ventils lo zu
schließen.
-
Der Raum zwischen der von der Stange 14 abgewandten Seite des Kolbens
16 und dem einseitig geschlossenen Zylinder 18 ist mit einer Ausdehnungsflüssigkeit
25 ausgefüllt, die sich bei Erwärmung stark ausdehnt. In ihr ist als Heizelement
und Temperaturffihler ein temperaturabhängyger elektrischer Widerstand (Neizwiderstand)
28 mit zwei abg dichtet nach außen durch den Zylinder 18 hindurchgeführten Anschluß
leitungen 27 angeordnet, der die Ausdehnunqsflüssigkeit 25 beheizen kann, so daß
mit ansteigender Temperatur der Ausdehnungsfltissigkeit der Kolben 16 gegen die
Kraft der Feder 22 nach unten verschoben wird und der Durchlaß zwischen dem Sitz
12 und dem Ventilglied 13 unterschiedlich weit geöffnet wird. Das Ventilglied 13
ist zwischen einer unteren maximalen Offenstellung und der der oberen Geschlossenstellung
stufenlos verstellbar, so daß es in Abhangigkeit seiner Stellung den
Durchfluß
durch das Ventil stufenlos steuert. Anstelle von Ausdehnungsflüssigkeit könnte auch
eine Flüssigkeits-Dampf-Füllung, Dehnstoff oder dergleichen als Ausdehnungsmedium
vorgesehen sein.
-
Der Heizwiderstand 28 ist in eine in Fig. 2 dærgestellte elektrische
Brücke 37 zwischengeschaltet. Im Brückenzweig 42a sind in Reihe geschaltet ein konstanter
Widerstand 54 und der Heizwiderstand 28. Im Brückenz.^eia 42b sind in Reihe angeordnet
ein variabler Steuerwiderstand 40 und ein konstanter Widerstand 53. Die an den beiden
Speiseleitungen 43, 51 der Brücke 37 liegende Brücke gleichspannung wird durch den
Ausgang eines Operationsverstärkers 38 und eine positive Spannung auf der Speiseleitung
51 geliefert. Die einerseits zwischen den Widerständen 54 und 28 bei 56 und andererseits
zwischen den Widerständen 40 und 53 bei 55 abgenommene Drückendiagonalspannungen
wird über die Leitungen 47a und 47b den beiden Steuereingängen 45, 46 des Verstärkers
38 aufgedrückt, wobei der an die Leituna 47a angeschlossene Eingang 45 so ausgebildet
ist, daß er die Einaangsspannung invertiert. Die beiden Leitungen, die die positive
und negative Versorgungsgleichspannung des Verstärkers 38 liefern, sind mit 38'
und 38" bezeichnet.
-
Die Brückenschaltung ist so ausgebildet, daß die Summe der Widerstandswerte
der Widerstände 54 und 28 so klein ist, daß der Widerstand 28 sich infolge des ihn
durchfließenden Stromes erheblich erwärmen und damit die Ausdehnungsflüssigkeit
25
beheizen kann. Falls, wie zum Beispiel im Falle des Anwendungsbeispieles nach Fig.
3, der Steuerwiderstand 40 ein temperaturabhängiger Widerstand ist, ist die Summe
der Widerstände 40 und 53 sc groß vorzusehen, daß die Temperatur des Widerstandes
40 selbst bei der größten auftretenden Speisespannung der Brücke 37 lurch den ihn
durchfließenden Strom praktisch nicht geändert wird.
-
Die Ausgangsspannung des Verstärkers 38 kann sich zwischen Null und
einem Maximum ändern. Der Verstärker 38 stellt die Brückenspeisespannung immer so
ein, daß folgende Bedingung erfüllt ist: (1) R40 . R28 = R53 . R54 (R = Widerstand,
die Indizes entsprechen den Bezugszeichen der betreffenden Widerstände) Solange
diese Bedingung nicht erfüllt ist, gilt in dem angenommenen Fall, daß der Widerstand
28 ein NTC-Widerstand ist, folgendes: Ist R40 . R28<R53 . R54, dann geht die
Ausgangsspannung des Verstärkers auf Null.
-
Ist R40 . R28>R53 . R54, dann gelangt der Verstärker in die Sättigung.
-
diese Brückenschaltung 37 hat die Eigenschaft, daß sich bei Auftreten
einer Spannungsdifferenz zwischen der
Brückenpunkten 55 und 56,
d.h. bei Auftreten einer Diagonalspannung in Abhängigkeit von deren Vorzeichen die
Ausgangsspannung stets solange auf dem jeweils sich einstellenden Extremwert hält,
bis der Widerstand 8 so weit aufgeheizt oder abgekühlt wurde, daß sich wieder Brückengleichoewicht
einstellt, wobei sich am Fnde dieses Vorganges eine solche Brückenspeisespannung
einstellt, daß die Bedingung (1) erfüllt ist.
-
Durch diese Regelung der Temperatur des Widerstandes 28 ist eine optimale
Aufheizung des Ausdehnungsmediums 25 möglich und bei geeigneter Begrenzung dieser
Temperatur durch die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers 38 läßt sich eine
Uberheizung des Ausdehnungsrrediums 25 sicher verhindern.
-
Die Brückenspeisespannung stellt sich selbst bei uner.dlich hohem
Verstärkungsgrad des Verstärkers 38 stets so ein, daß Brückengleichgewicht herrscht,
wobei diese Pegelung aer temperatur des Widerstandes 28 in Abhängigkeit des Widerstandes
40 stets stabil ist.
-
Mit anderen Worten läßt sich dies auch so beschreiben, caß die Brückendiagonalspannung
stets in solcher Wichtung auf den Operationsverstärker 38 einwirkt, daß seine Ausgangsspannung
die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 28 in einer die Brückendiagonalspannung
verkleinerten Weise ndert.
-
Es versteht sich, daß man der dargestellten Schaltungsanordnung für
den Fall, daß sie der Regelung dient, beispielsweise der Temperaturregelung, Druckregelung
oder dergleichen ein gewünschtes P-Regelverhalten geben kann, oder sie auch so ausbilden
kann, daß ein PI- oder ein PTD-Piegelverhalten erreicht wird. Auch kann beispielsweise
vorgesehen sein, daß die Brücke mit Wechselspannung gespeist wird oder daß die Ausgangsspannung
des Verstärkers 38 die Speisespannung der Brücke 37 nicht direkt bildet, sondern
über elektrische Komponenten bestimmt.
-
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung zeiat nur ein Prinzip
einer erfindungsgemäßen Schaltunasanordnung.
-
Es versteht sich deshalb, daß diese Schaltungsanordnung noch weitere
elektrische oder elektronische Komponenten azweisen kann oder auch andersartige
Brückenschaltungen vorgesehen sein können.
-
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße, der Regelung der Terperatur eines
Gebäuderaumes 30 dienende Einrichtung unter Verwendung einer Vorrichtung nach den
Fig. 1 und 2 dargestellt. In Fig. 3 ist ein Gebäuderaum 30 dargestellt, der mittels
eines Wärmetauschers 31 beheizt oder gekühlt werden kann, der an eine Vorlaufleitung
32 angeschlossen ist, deren Durchfluß mittels des thermohydraulischen Ventils lo
nach Fig. 2 zur Regelung der Raumtemperatur selbsttätig verstellt wird.
-
Mit 36 ist ein Block bezeizhnet, der die elektrische Brükke nach Fig.
2 mit Ausnahme des Heizwiderstandes 28 und
des als Temperaturfühler
dienenden, tempraturabhängigen Steuerwiderstandes 4c enthält, die über Leitungen
27 bzw.
-
35 an den Block 36 angeschlossen sind. Zur Einstellung des Sollwertes
der Raumtemperatur kann, wie strichpunktiert in Fig. 2 angedeutet, in einem zum
Prückenzweia 42b parallel geschalteten Zweig ein Potentiometer 4', 50 angeordnet
sein, dessen Abqriff 50 über den Widerstand 49 an den Verbindungspunkt 55 des Prückenzweiges
42b angeschlossen ist. ei den in Fig. 2 eingezeichreten Potentialen der Versorgungspannung
ist der temperaturabhängige Widerstand 28 ein NTC-Widerstand und der Widerstand
40 kann ebenfalls ein NTC-Widerstand oder auch ein PTC-Widerstand (z.B. bei Kühlung
des Raumes) sein. Widerstand 28 kann auch als PTC-Widerstand ausgebildet sein, wenn
man die Anschlüsse 45 und 46 vertauscht oder die Widerstandsanordnung andere.
-
Wenn die zu regelnde Raumtemperatur über den eingestellten Scllwert
ansteigt, verändert die hierdurch verursachte Brückendiagonalspannung die Ausgangsspannung
des Verstärkers 38 so, daß die Temperatur des Widerstandes 28 sinkt, mit der Folge,
daß das Ventilglied 13 sich nach oben bewegt und den Durchfluß an Heizmittel stärker
drosselt, so daß die Raumtemperatur 30 infolge der verminderten Leistung des Wärmetauschers
31 sinkt. Die Ausgangs spannung des Verstärkers 30 ändert sich so lange, bis die
Brückendiagonalspannung Null ist. Falls die Raumtemperatur - ausgehend von dem angeglichenen
Zustand der Brücke - unter den Sollwert sinkt, dann tritt eine entsprechende Erniedrigung
der Ter.-peratur des Widerstandes 40 ein, mit der Folge, daß sich die Ausgangsspannung
des Verstärkers in solche Richtung ändert, daß die Temperatur des Widerstandes 28
ansteiat, so daß das Ventilglied durch die hierdurch bewirkte Ausdehnung
des
Aus dehnungsmedi ums 25 nach unten wandert und die Heizleistung des Wärmetauschers
31 vergrößert wird und damit die Raumtemperatur wieder ansteigt. Auf diese Weise
läßt sich die Raumtemperatur ständig innerhalb enger Grenzen regeln.
-
Da der den temperaturabhängigen Widerstand 40 durchfließende Strom
dessen jeweilige Temperatur nicht störend beeinflussen soll, sind sein Eigenwiderstand
und die seinen Stromdurchgang beeinflussenden Widerstände so groß zu treffen, daß
durch ihn stets nur ein sehr geringer Strom flieht, der seine Eigentemperatur praktisch
nicht beeinflußt.