DE2338580A1 - Vorrichtung zur regelung des druckes eines stroemungsmittels - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser ^βϋ0° '^ΛΟΜΐιβ" ^Μ· ^l'» Dipl.-Ing. Gottfried Leiser ««.6«..™»«... „ Patentanwälte Tahgramimt Lobyrinth München 2 3 3 8 5 8 Ω T.l«f„-. η ic in · · *» V W W W V \y

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Vorrichtung zur Regelung des Druckes eines Strömungsmittels

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Druckes eines Strömungsmittels, d.h. eine Vorrichtung, die an ihrem Ausgang unabhängig von dem Druck des ihrem Eingang eingegebenen Strömungsmittels ein Strömungsmittel mit konstantem Druck liefert. Der geregelte Druck kann je nachdem, ob sein-Wert von dem atmosphärischen Druck abhängig oder unabhängig ist, relativ oder absolut sein.

Wenn das Strömungsmittel mit konstantem Druck einen Verbrauchskreis mit konstantem Druckabfall speist, ist der Strömungsmitteldurchsatz in diesem Verbrauchskreis konstant. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit

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ORIGINAL INSPECTED

auf zweckmäßige Weise verwendet werden, wenn ein Strömungsmittel einen Kreis mit konstantem Druckabfall mit einem konstanten Durchsatz durchströmen soll. Dies ist insbesondere bei Gasanalysatoren der Fall, bei denen es wesentlich ist, daß der Druck und der Durchsatz des den Gasanalysator durchquerenden Gases konstant gehalten wird, so daß die in der Analysezelle enthaltene Gasmenge konstant ist.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen zum Konstanthalten des Druckes und des Durchsatzes eines Strömungsmittels in einem Verbrauchskreis bekannt. Beispielsweise kann ein Druckminderer benutzt werden, der an den Anschlüssen einer Drosselung eines pneumatischen Kreises eine konstante Druckdifferenz aufrechterhält: Hierbei ist der Durchsatz in diesem Kreis konstant. Ferner kann hierzu ein druckreduzierender Druckregler benutzt werden, mit dem man einen konstanten Strömungsmitteldruck erhalten kann. Diese Vorrichtung besitzt im wesentlichen zwei Kammern mit einer gemeinsamen, mit einem Ventil versehenen Wand. Das Strömungsmittel tritt in die erste Kammer ein und kann in die zweite Kammer nur über das Ventil fließen. Das Strömungsmittel mit dem geregelten Druck tritt über eine in der zweiten Kammer vorgesehene öffnung aus. Diese zweite Kam-'mer besitzt eine Membran, die unter der Einwirkung des Druckes beweglich ist. Wenn der Druck des Strömungsmittels in der ersten Kammer kleiner als ein Druck-Sollwert ist, der durch eine von außen auf die Membran einwirkende Feder bestimmt wird, ist das Ventil offen. Wenn der Druck des Strömungsmittels in der ersten Kammer gleich oder größer als der Druck-Sollwert ist, ist das Ventil geschlossen. Der Strömungs-

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mitteldurchsatz am Eingang der Vorrichtung nimmt zunächst linear in Abhängigkeit von dem Druck am Eingang zu und bleibt dann konstant, wenn der Druck zunimmt. Wenn hierbei der am Eingang der Vorrichtung gelieferte Stromizngsmitteldurchsatz größer als der des druckreduzierenden Druckreglers ist, nimmt der Druck in den vor dem Druckregler gelegenen Leitungen zu und eine der Leitungen kann platzen. Die Verwendung derartiger Druckregler für Gasanalysatoren besitzt »ehrere Nachteile, von denen zu nennen sind: Die relativ lange Ansprechzeit infolge der großen von dem Strömungsaittel bestrichenen Volumen, das Zurückhalten von Gas an der Membran des Druckreglers und die Unmöglichkeit ihrer Anpassung an alle Versorgungssysteme, insbesondere wenn der durch die Versorgung gelieferte Strömungsinitteldurehsatz zu gering oder zu groß ist.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Anforderungen der Praxis besser als die bekannten Vorrichtungen erfüllt, und zwar insbesondere insofern, als ihre Ansprechzeit sehr gering ist und keine Verschmutzung des Strömungsmittels durch ein Zurückhalten von Strömungsmittel an Wänden wie Gummimeabranen stattfindet.

Zu diesem Zweck ist' die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Begelung des Druckes eines Strömungsmittels mit eines druckreduzierenden Druckregler, der im wesentliGlhem aus einer ersten und einer zweiten Kammer besteht, die durch ein an einer beweglichen Wand der zweiten !Jammer befestigtes Ventil voneinander getrennt sind, wobei Einrichtungen zum Ausüben einer Kraft von außen auf diese Wand vorgesehen sind und die erste und die zweite Kammer jeweils mit einer Eintritts—

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öffnung bzw. einer Austrittsöffnung für das Strömungsmittel versehen ist, gekennzeichnet durch ein Druckbegrenzungsorgan, das im wesentlichen aus einer durch eine Feder auf einem Sitz gehaltenen Kugel besteht und an die erste Kammer angeschlossen ist, und einen den Schaft des Ventils ohne Berührung umgebenden Kragen, der gegenüber der beweglichen Wand angeordnet ist und die zweite Kammer in zwei Teile teilt, und zwar in einen zentralen Teil mit geringem Volumen innerhalb des Kragens und in einen Umfangsteil außerhalb dieses Kragens, wobei sich die Austrittsöffnung in dem zentralen Teil befindet und an den ümfangsteil eine Leitung zürn Ausströmen dieses Strömungsmittels angeschlossen ist.

Wenn eine absolute Druckregelung, d.h. unabhängig von dem atmosphärischen Druck, erreicht werden soll, besitzt die Vorrichtung ferner einen Zusatzmechanismus, der im wesentlichen aus einer durch ein Ventil geschlossenen und durch eine Leitung mit einer dritten Kammer des druckreduzierenden Druckreglers verbundenen Außenkammer und einer in dieser Außenkammer enthaltenen, dichtenj unter Vakuum vergossenen Innenkammer besteht, die unter der Einwirkung des Druckes verformbar ist und eine gegen ihre bewegliche Wand drückende Feder •enthält, wobei die bewegliche Wand dieser verformbaren Innenkammer an dem Schaft des Ventils befestigt ist, so daß dessen Öffnung und Schließung durch die verformbare Innenkammer gesteuert wird, und der Verbrauchskreis des Strömungsmittels mit dem geregelten Druck zwischen den druckreduzierenden Druckregler und den Zusatzmechanismus einerseits über eine die Austrittsöffnung der zweiten Kammer mit dem Eingang des Verbrauchskreises verbindende Leitung und andererseits über eine den Ausgang des Verbrauchskreises mit der

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Außenkammer verbindende Leitung eingesetzt ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform zur Regelung des Druckes und des Durchsatzes eines Gases in einem Verbrauchskreis, beispielsweise einem Gasanalysator. In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm der Änderungen des Durchsatzes D am Eingang der Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Druck P am Eingang dieser Vorrichtung.

Die in K.g. 1 schematisch gezeigte Ausführungsform besteht aus zwei Teilen I und II. Mit dem Teil I kann in einem Verbrauchskreis 2 unabhängig von dem Druck P und dem Durchsatz D in der Eintrittsleitung 4- der Vorrichtung ein konstanter Strömungsmitteldurchsatz erhalten werden. Diese Regelung ist relativ, d.h. der Wert des geregelten Druckes am Ausgang der Vorrichtung hängt von dem atmosphärischen Druck ab. Der Druck am Ausgang der Vorrichtung ist nämlich die Summe des atmosphärischen Druckes und des geregelten Strömungsmitteldruckes, wobei dieser konstant ist. Der Teil II, der in Verbindung mit dem Teil I benutzt wird, gestattet eine absolute Regelung, d.h. unabhängig von dem atmosphärischen Druck.

Die Vorrichtung zur relativen Druckregelung, die dem Teil I entspricht, besitzt in wesentlichen einen druckreduzierenden Druckregler 6 und ein Druckbegrenzungsorgan 8. Der Druckregler 6 besitzt drei benachbarte Kammern. Die erste Kammer 10 ist mit einer Eintrittsöffnung 12 versehen, die mit der Eintrittsleitung 4

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verbunden ist, in welche das zu regelnde Strömungsmittel eintritt. Diese erste Kammer ist mit der zweiten Kammer 14 über ein Ventil 16 verbunden, das auf einem Sitz 18 aufliegen kann, der in der den beiden Kammern 10 und 14 geraeinsamen Wand vorgesehen ist. Diese zweite Kammer 14 besitzt eine bewegliche Wand 20, die eine biegsame Membran bildet. Der Schaft 22 des Ventils 16 ist an der beweglichen Wand 20 befestigt, so daß die öffnung und Schließung des Ventils durch die Bewegungen dieser Wand gesteuert werden. Der Druckregler 6 besitzt ferner eine dritte Kammer 24, in welcher eine Feder 26 eingeschlossen ist, die gegen die bewegliche Wand 20 drückt. Diese leder stellt allgemein gesprochen eine Einrichtung dar, die auf die bewegliche Wand 20 - bezüglicher der Kammer 14 von außen - eine Kraft ausübt. Die Verwendung der dritten Kammer 24 ist fakultativ, wenn lediglich ein relativer Druck und nicht ein absoluter Druck erzeugt werden soll. Wenn die dritte Kammer 24 nicht vorhanden ist, muß am Ende der Feder 26 ein Stützpunkt vorgesehen werden, der nicht mit der beweglichen Wand 20 in Berührung ist. Erfindungsgemäß ist die erste Kammer 10 über eine feststehende oder verstellbare Drosselung 28 mit dem Druckbegrenzungsorgan 8 verbunden. Dieses kann hauptsächlich aus einer Kugel 30 bestehen, die gegen einen Sitz 32 durch eine Feder 34- angedrückt gehalten wird, deren Härte mittels einer Schraube 36 geändert werden kann. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die zweite Kammer 14 durch einen Kragen 42 in zwei Teile geteilt, und zwar in einen zentralen Teil 38 und einen Umfangsteil 40. Der Kragen ist um den Schaft 22 des Ventils 16 herum an der oberen Wand der zweiten Kammer 14 befestigt. Er steht der beweglichen Wand 20 gegenüber und reicht bis zu der

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Oberfläche dieser Wand, ohne sie zu berühren. Der zentrale Τέίί 38 stellt ein sehr geringes Volumen dar, sb daß das abgetastete Stromungsmittelvolumen und damit die Ansprechzeit verringert wird. Den Ausgang des Druckreglers 6 bildet eine Austrittsöffnung 44, die sieh im zentralen Teil 38 der zweiten Kammer 14 befindet und über eine Drosselung 46 mit dem Eingang 48 des V^rbfaüchskreises 2 verbunden ist. Der Umfangsleii 413 der zweiten Kammer ist mit einer Abführleitung 5& verbunden} die über eine Drosselung 52 aus den Gasänalysätor herausführt, so daß das in diesem Umfangs-"beii befindliche Gas nach außen abströmen kann. Diese Abführleitang 50 stellt einen Ausfluß mit, sehr ge- . ringem Durchsatz dar, wodurch die Drückkennlinien der Vörriehiriing iücht geändert werden. Wenn der Teil I der iusführtingsfbrm allein ohne den Teil II benutzt wird, ist die dritte Kammer 24 an eine Leitung 54 angeschlösseni die in die Umgebung mündet, so daß der im' · inneren der dritten Kammer 24 herrschende Druck der atmosphärische Druck ist. Ebenso ist die Austrittsleitung 56 des Verbrauchskreises 2 in die Umgebung offen. Wenn es sich um gefährliche Strömungsmittel, beispielsweise giftige oder explosive Strömungsmittel, handelt, werden sie aufgefangen und an einem entfernten Ort ausgeschieden.

im folgenden wird die Arbeitsweise des Teils I als Eürclisatz- und Relativdruckregler beschrieben. Das zwisöheh der ersten und der zweiten Kammer des druckreaüzierenden Drückreglers 6 befindliche Ventil 16 ist normalerweise unter der Einwirkung der Eeder 26 offen. Das Ventil 16 schließt sich, sobald der Gasdurchsatz in der Drosselung 46 und dem Verbrauchskreis 2 einen Drückunterschied P^,, d.h. einen bezüglich der Atmosphäre relativen Druck, zwischen der zweiten Kammer 14 und der dritten Kammer 24 mit sich bringt, der die

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Wirkung der Feder 26 ausgleichen kann. Von diesem Zeitpunkt an findet eine Regelung statt, die einen konstanten Druckunterschied zwischen dem Eingang 48 und der Austrittsleitung 56 des Verbrauchskreises 2 und damit einen konstanten Strömungsmitteldurchsatz in diesem Verbrauchskreis bewirkt.

Das Druckbegrenzungsorgan 8 ist so tariert, daß die Kugel 30 normalerweise auf ihrem Sitz 32 aufliegt, und sich, von diesem erst dann abhebt (Öffnung des Druckbegrenzungsorganes8), wenn der Druck P₂ an der Eintrittsöffnung 12 de.s Druckreglers 6 so groß ist, daß er die Wirkung der Jeder 34- des Druckbegrenzungsorgans 8 ausgleicht. Die iParierung dieses Druckbegrenzungsorgans ist so gewählt, daß der relative Druck Pp größer als der Druck P^, ist, der an der Aus— trittsöffnung 44 des Druckreglers 6 herrscht. Wenn der Druck P an der Eintrittsöffnung 12 des Druckreglers zunimmt, tritt ein zunehmender Gasdurchsatz D über die Austrittsleitung 58 des Druckbegrenzungsorgans 8 aus. Dieser Durchsatz ist durch die Drosselung 28 begrenzt.

Die Arbeitsweise des Teils I ist in Fig. 2 dargestellt, die den Durchsatz D an der Eintrittsöffnung 12 des druckreduzierenden Druckreglers 6 in Abhängigkeit von dem Druck P ebenfalls an der Eintrittsöffnung 12 zeigt. Der Durchsatz nimmt, wie Fig. 2 zeigt, bis zu einem der Schließung des Ventils 16 entsprechenden Wert P^ etwa linear mit dem Druck zu. Dann bleibt der Durchsatz D zwischen den beiden relativen Druckwerten P_x, und ?2 konstant und von dem Druck ^ ³^ nimmt der Durchsatz linear in Abhängigkeit von dem Druck zu. Der Durchsatz D^ ist der Durchsatz in dem Verbrauchskreis

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2 und der Durchsatz D2 ist der Durchsatz in der Austritt sleitung 58 des Druckbegrenzungsorgans 8. Die in unterbrochener Linie dargestellte Kurve A stellt den Durchsatz des dem Verbrauchskreis 2 durchquerenden Strömungsmittels in Abhängigkeit von dem Druck dar. Dieser Durchsatz bleibt also unabhängig von dem Druck P an der Eintrittsöffnung 12 der Vorrichtung konstant. Es ist jedoch erforderlich, daß dieser Druck größer als der Wert P^. ist. Man sieht, daß der Durchmesser der Leitung zwischen der Austrittsöffnung 44 des Druckreglers 6 und dem Eingang 48 des Verbrauchskreises vollkommen unabhängig von,dem in den Verbrauchskreis beizubehaltenden Durchsatz gewählt werden kann.

Wenn der Druck des Gases in den Verbrauchskreis 2 auf einem absoluten Wert - unabhängig von dem atmosphärischen Druck - konstant gehalten werden soll, wird der Teil II in Verbindung mit dem Teil I auf die in Fig. 1 gezeigte Weise benutzt. Dieser Teil II besteht im wesentlichen aus einem Zusatzmechanismus 60, der von einer Außenkammer 62 und einer Innenkammer 64 gebildet wird, die gegen Gase absolut dicht ist. Die Innenkammer besitzt eine balgförmige Wand und ist verformbar. Im Inneren dieser unter Vakuum vergossenen Innenkammer 64 wurde ein ausreichendes Vakuum erzeugt, damit die Temperatur keinen Einfluß hat. Die Innenkammer 64 enthält eine Feder 66, die gegen die bewegliche Wand 68 drückt. Ein Stellorgan 70 gestattet eine Bewegung der Innenkammer 44 und damit eine Änderung der Rückholkraft der Feder 66 und infolgedessen eine Einstellung der Härte dieser Feder. Der Ausgang 72 der Außenkammer 62 besitzt ein Ventil 74, dessen Schaft 76 an der beweglichen Wand 68 befestigt ist. Die öffnung und die Schließung des Ventils

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74 hängen von der Stellung der beweglichen Wand 68 und damit von dem im Inneren der Außenkammer herrschenden Druck ab. Die Austrittsleitung 56 des Verbrauchskreises 2 ist mit der Außenkammer 62 über eine Eintrittsöffnung 78 verbunden. Die dritte Kammer 24 des druckreduzierenden Druckreglers 6 ist über die Leitung 54 mit dem Inneren der Außenkammer 62 verbunden. Eine Leitung 80 kann an ein Manometer angeschlossen werden, so daß der Wert des geregelten Druckes auf einen Wert eingestellt werden kann, der größer als der an dem Verwendungsort der Vorrichtung mögliche maximale atmosphärische Druck ist. Der in der Außenkammer 62 herrschende Druck Pq wird mit der durch die Feder 66 gelieferten Kraft verglichen. Der Austritt des Strömungsmittels über das Ventil 74 wird so geregelt, daß der Druck P_Q in absolutem Wert, d.h. unabhängig von dem atmosphärischen Druck, konstant gehalten wird. Der Druck an der Austrittsöffnung 44 des Druckreglers 6 ist gleich (Pq + P,.), was einen absoluten konstanten Druck darstellt.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung besitzt eine sehr kurze Zeitkonstante, die durch die Verringerung des Volumens des in der Vorrichtung strömenden Strömungsmittels erreicht wird. Der zentrale Teil 38 der zweiten Kammer des druckreduzierenden Druckreglers 6 besitzt nämlich sehr geringe Abmessungen und kann deshalb sehr schnell von dem Strömungsmittel bestrichen werden. Das Strömungsmittel ist ausschließlich mit metallischen Werkstoffen in Berührung. Infolgedessen ist das Zurückhalten von Strömungsmitteln durch die Werkstoffe sehr gering, während dies beispielsweise bei Membranen aus Gummi in starkem Maße stattfindet. Die Rückdiffusion des Strömungsmittels von den Umfangsteil 40 zu dem zentralen Teil 38 der zweiten Kammer des Druckreglers

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wird durch das ständige Ausströmen über die Abführleitung 50 vermieden. Der Anschluß des Teils II zur Durchführung einer absoluten Druckregelung beeinflußt die Eigenschaften des druckreduzierenden Druckreglers 6 nicht und verringert nicht die Geschwindigkeit, mit der der Teil I von den Strömungsmitteln bestrichen wird. Das Strömungsmittelvolumen in der Außenkammer 62 beeinflußt die Ansprechzeit der Regelung nicht, da sich der Teil II hinter dem.Verbrauchskreis 2 befindet«

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere können die einzelnen Bestandteile, beispielsv;eise die Kammern 10, 14 und 24 des druckreduzierenden Druckreglers 6 sowie die Außenkammer 62 und die Innenkammer 64, andere Formen erhalten. Anstelle einer durch eine Feder an ihren Sitz angedrückt gehaltenen Kugel kann das Druckbegrenzungsorgan 8 auch andere Bauteile besitzen;' ganz allgemein handelt es sich hierbei um ein Ventil.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   [1./Vorrichtung zur Regelung des Druckes eines Strömungsmittels mit einem druckreduzierenden Druckregler, der im wesentlichen aus einer ersten und einer zweiten Kammer besteht, deren Jede eine Eintrittsöffnung bzw. eine Austrittsöffnung für das Strömungsmittel besitzt und die durch ein Ventil voneinander getrennt sind, das an einer beweglichen Wand der zweiten Kammer befestigt ist, wobei Einrichtungen von außen auf diese Wand eine Kraft ausüben können, gekennzeichnet durch ein an die erste Kammer angeschlossenes Druckbegrenzungsorgan und einen den Schaft des Ventils ohne Berührung umgebenden Kragen, der sich gegenüber der beweglichen Wand befindet und die zweite Kammer in zwei Teile, einen zentralen Teil mit geringem Volumen im Inneren des Kragens und einen Umfangsteil außerhalb des Kragens, teilt, wobei sich die Austrittsöffnung in dem zentralen Teil befindet und an den Umfangsteil eine Abführleitung zum Ausströmen des Strömungsmittels angeschlossen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Druckbegrenzungsorgan im wesentlichen aus einer Kugel besteht, die durch eine Feder auf einem Sitz gehalten wird.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine dritte Kammer, deren eine Wand von der beweglichen Wand gebildet wird und in der sich eine Feder befindet, die gegen diese bewegliche Wand drückt.

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4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Zusatzmechanismus, durch den die Druckregelung von dem atmosphärischen Druck unabhängig gemacht werden kann und der im wesentlichen aus einer durch ein Ventil geschlossenen und durch eine Leitung mit der dritten Kammer verbundenen Außenkammer und einer dichten, in der Außenkammer enthaltenen, unter Vakuum vergossenen Innenkammer besteht, die unter der Wirkung des Druckes verformbar ist, eine gegen ihre bewegliche Wand drückende Feder enthält und deren bewegliche Wand mit dem Schaft des Ventils fest verbunden ist, so daß die Öffnung und Schließung dieses Ventils durch die verformbare Kammer gesteuert wird, wobei der Verbrauchskreis des Strömungsmittels mit dem geregelten Druck zwischen dem druckreduzierenden Druckregler und dem Zusatzmechanismus einerseits über eine die Austrittsöffnung der zweiten Kammer mit dem Eingang des Verbrauchskreises verbindende Leitung und andererseits über eine den Ausgang des Verbrauchskreises mit der Außenkammer verbindende Leitung eingesetzt ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Einstellung der Härte mindestens einer der Federn, die in der dritten Kammer und der verformbaren Innenkammer enthalten sind.
6. 6." Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,daß die Wände, die mit dem Strömungsmittel, dessen Druck zu regeln ist, in Berührung stehen, aus Metall bestehen.

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