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SELBSTTÄTIGES REGELVERFAHREN MIT ZWEIPUNKTREGLERN UND STETIG STEUERBAREN
STELLGERÄTEN Die Erfindung betrifft ein selbsttätiges Regelverfahren, insbesondere
zur.Regelung der Temperatur mit Heizungs- und Klimaanlagen, mit einem Zweipunktregler
und stetig steuerbaren Stellgeräten.
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Zweipunktregler, insbesondere Thermostate und Hygrostate mechanisch-elektrischer
Bauart, sind als preisgünstige und zuverlässige Regelgeräte weit verbreitet. Ihrer
Verwendbarkeit sind jedoch nach dem Stande der Technik Grenzen gesetzt, die in ihrem
Ein-Aus Betrieb gegeben sind. Das stoßweise Einführen bzw. Abstellen des Energiestromes
zu einem zu regelnden Verbraucher nach den Impulsen des Zweipunktreglers kann nur
befriedigen, wenn die resultierenden Schwankungen der Regelgröße annehmbar sind,
bzw. wenn die Trägheit der Regelstrecke die Schwankungen selbst genügend ausgleicht.
Sehr viel schwieriger wird die Aufgabe, wenn der Zweipunktregler bei Verbrauchern
mit großem Lastbereich und/oder großen Störmöglichkeiten, den für größtmöglichen
Lastzustand dimensionierten Energiestrom steuern muß.
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Typische Beispiele dafür finden sich bei Temperaturregelungen mit
Heizungs- und Klimaanlagen. Solche Anlagen weisen oft der Natur des Wärmeträgers
entsprechend (Wasser oder Luft) Stellgeräte auf, die in stetiger Weise den Wärmeträgerstrom
beeinflussen können. (Eine Ausnahme bilden die direkten elektrischen Heizungen).
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Solche stetig steuerbaren Stellgeräte eignen sich daher eigentlich
vorwiegend für stetig wirkende Regler, die jedoch vergleichsweise kostspielig sind.
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Als weit verbreitetes Beispiel sei die Raumtemperaturregelung mit
Radiatorheizanlagen erwähnt: Ein Bimetall-Kaumthermostat steuert über einen elektrothermischen
Stellantrieb mit Ausdehnungsmedium ein Ventil, welches den Wärmeträgerstrom einstellt.
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Der Thermostat kann also nur das Ventil auf-oder zu-steuern.
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Dabei wird aber üblicherweise, um ein stoßweises Eindringen des heißen
Wärmeträgers in die Anlage zu verhindern, die Stellzeit des Stellantriebes im Vergleich
zur Schaltperiode des Thermostaten lang gestaltet (z.B. etwa 40 Min.). Die damit
erzielbare Regelung beruht auf einem langsamen Auf- und Abschwanken (Pendeln) der
Ventilstellung. Die resultierenden Temperaturschwankungen müssen dann von der Trägheit
der Regelstrecke ausgeglichen werden. Der Nachteil des genannten Verfahrens besteht
hauptsächlich in der Trägheit des Regelvorgangs: Die lange Stel zeit verunmöglicht
das schnelle Ausregeln auftretender Störungen. Dies wirkt um so unangenehmer, je
weniger träge die geregelten Objekte sind; also z.B. bei schnell wirksamen Wärmetauschern
(Konvektoren), bei geringem Wärmeinhalt der Objekte, bei geringem Wärmeträgervolumen,
bei schwacher Gebäudeisolation usw.
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Zudem erfordert das Verfahren Ventile mit annähernd linearer Kennlinie,
was große Ventilhübe voraussetzt (vgl. "Regelungstechnik" 1961, Verlag R. Oldenburg,
München, Seiten 104 und ff.
"Kennlinien von Stellventileri? und
stellt somit hohe Anforderungen an die Genauigkeit der notwendigen Profilierung
der Ventilsitze und -k.egel, was sich kostensteigernd auswirkt.
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Diese Anforderungen sind leicht einzusehen, wenn man bedenkt, daß
Heizungs- und Klimaanlagen oft und über längere Perioden bei geringer Last arbeiten
müssen. Das bedeutet, daß die Ventile in ihrem Schließbereich, dem empfindlichsten
Teil ihres Stellbereichs, beansprucht werden. Ist nun die Kennlinie in diesem Bereich
sehr steil oder sonstwie unzuverlässig, so leidet darunter erfahrungsgemäß die Regelgüte.
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Weitere bekannte Beispiele finden sich in der Steuerung von Wärmeträger-Umwälzpumpen
und Ventilatoren. Der Wärmeträgerstrom wird dabei ohne nennenswerte Verzögerung
durch die Zweipunktregler voll auf-und voll zu-gesteuert. Um die Nachteile dieser
Betriebsart zu mildern, werden in solchen Anlagen oft handbetätigte Stellglieder
eingebaut, mit denen der Benutzer eine grobe Voreinstellung des Wärmetragerstromes
nach dem Lastbedarf vornehmen muß.
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Ein Beispiel dafür findet sich in Radiatorheizanlagen, in denen die
Umwälzpumpe durch einen Raumthermostaten gesteuert wird, wobei aber der Benutzer
mittels eines Handmischventils die Temperatur des Vorlauf-Heizungswassers durch
Beimischung von Rücklaufwasser ungefähr voreinstellen muß.
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Ein anderes Beispiel findet sich bei Luftheizungen und in Klimaanlagen
mit von Thermostaten gesteuerten Ventilatoren, wo der Benutzer von Hand mittels
einer Luftklappe oder einer Drehzahleinstellung am Ventilator den Luftstrom dem
Lastbedarf ungefähr anpassen muß.
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Der Nachteil dieser letzten beiden Beispiele liegt also darin, daß
die stetig steuerbaren Stellgeräte (Mischventil, Luftklappe, Ventilatordrehzahl)
von Hand eingestellt werden müssen, daß also keine vollumfängliche selbsttätige
Regelung vorliegt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit dem vollumfänglich eine selbsttätige Regelung erreicht
wird und bei dem trotzdem die preisgünstigen Zweipunktregler verwendet werden können.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Impulse
des Zweipunktreglers einerseits durch Integration in einem Zeitglied in weitgehend
stetiger Weise das Stellgerät speisend eine Stellgröße vorbestimmen und andererseits
der Ausgangsgröße der Regeleinrichtung ein begrenztes Zweipunktverhalten überlagern.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also die Ein-und Ausschaltungen
des Zweipunktreglers einerseits in eine im wesentlichen stetige Größe umgeformt
und andererseits bewirken sie ein dieser stetigen Größe überlagertes und in ihrem
Wirkungsbereich eingeschränktes Ein/Aus-Verhalten der Ausgangsgröße. Der preisgünstige
Zweipunktregler kann somit ohne Einschränkungen zur Steuerung stetiger Stellgeräte
herangezogen werden. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren wesentlichen
Vorteil, daß auch die preisgünstigen, kurzhubigen, unprofilierten Tellerventile
Anwendung finden können.
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Zwei vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung
bestehen darin, daß einmal die Impulse des Zweipunktreglers einem einzigen Stellgerät
zugeführt werden, welches sowohl das annähernd stetige Verhalten als auch das begrenzte
Zweipunktverhalten der Ausgangsgröße der Regeleinrichtung bewirkt, und zum anderen,
daß die Impulse des Zweipunktreglers zwei Stellgeräten zugeführt werden, von denen
das eine das annähernd stetige Verhalten und das andere das begrenzte Zweipunktverhalten
der Ausgangsgröße der Regelt in richtung bewirkt.
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Bei der ersten Ausführungsform erfolgt also die erfindungsgemäße Regelung
mit einem einzigen Stellgerät, während bei der weiteren Ausführungsform zwei verschiedene
Stellgeräte Verwendung finden und somit verfahrensmäßig eine Anpassung an praktisch
sämtliche Betriebsarten und -formen möglich ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmae und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der schematischen Zeichnung, in der verschiedene Regeleinrichtungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Regeleinrichtung mit einem elektrothermischen
Stellantrieb mit einem einzigen Ausdehnungsgefäß; Fig. 2 eine Regeleinrichtung mit
einem elektrothermischen Stellantrieb mit zwei Ausdehnungsgefäßen; Fig. 3 eine Regeleinrichtung
mit einem elektrothermischen Stellantrieb mit einer zusätzlich zu steuernden Umwälzpumpe
für einen Wärmeträger; Fig. 4 eine Regeleinrichtung mit einem elektromagnetischen
Stellantrieb;
Fig. 5 eine Regeleinrichtung mit einer Wärmeträger-Umwälzpumpe
als Drehzahl-Stellgerät; Fig. 6 eine Regeleinrichtung mit einem Ventilator als Drehzahl-Stellgerät;
Fig. 7-9 Regeleinrichtungen mit elektrothermischen Bimetall-Stellantrieben und Fig.
10 eine abgewandelte Ausführungsform der Regeleinrichtungen nach Fig. 1, 4, 5, 6
und 9.
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In der folgenden Beschreibung der vorstehend erläuterten Figuren sind
gleiche oder gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß Fig. 1 besteht ein elektrothermischer Stellantrieb aus einem
Ausdehnungsgefäß 2 und einem Balg 3, die mit Ausdehnungsmedium gefüllt sind. Eine
elektrische Heizung 4 des Ausdehnungsgefäßes 2 wird von einem Zweipunktregler 1
über einen thermisch trägen temperaturabhängigen Widerstand 5 gespeist. Der temperaturabhängige
Widerstand 5 erwärmt sich durch die Impulse des Zweipunktreglers 1 infolge seiner
Eigenerwärmung. Durch seine thermische Isolation und seinen Wärmeinhalt speichert
er Wärme.
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Je nach Dimensionierung seiner physikalischen Größen nimmt er eine
Temperatur an, die weitgehend dem Schaltverhältnis des Zweipunktreglers entspricht.
Dadurch entspricht auch sein jeweiliger elektrischer Widerstand diesem Schaltverhältnis.
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Hierdurch wird die Leistung der Heizung 4 ebenfalls dem Schaltverhältnis
des Zweipunktreglers 1 entsprechend eingestellt, was über das Ausdehnungsmedium
und die Balgausdehnung zur entsprechenden Stellgröße des Ventils 6 führt. Während
der Ausschaltperiode des Zweipunktreglers 1 kühlt sich das Ausdehnungsmedium im
Ausdehnungsgefäß 2 wieder ab und bewirkt ein Schließen (oder offenen, je nach Auslegung)
des Ventils 6, während die Abkühlung des temperaturabhängigen Widerstandes 5 gering
ist. Beim Wiedereinschalten des Zweipunktreglers 1 setzt die Heizung 4 mit der durch
den temperaturabhängigen Widerstand 5 begrenzten Leistung wieder ein; somit wird
das Ventil wiederum in die dem jeweiligen Schaltverhältnis entsprechende Stellgröße
gesteuert.
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Nach Fig. 2 (und 2a) weist der elektrothermische Stellantrieb zwei
Ausdehnungsgefäße 2 und 7 auf, wobei das Ausdehnungsgefäß 2, mit kleinerem Inhalt,
mit der elektrischen Heizung 4 in gutem thermischen Kontakt steht, während das Gefäß
7, mit größerem Inhalt, von der Heizung 8 entweder direkt oder über thermische Isolation
und Masse 9 (Fig. 2a) beheizt wird. Die Impulse des
Zweipunktreglers
1 liefern die Energie für die Heizungen 4 und 8. Im Gefäß 2 erwärmt sich nun das
Ausdehnungsmedium mit geringer Verzögerung und bewirkt über den Balg 3 eine Verstellung
des Ventils 6. Im Gefäß 7 hingegen erwärmt sich das Ausdehnungsmedium langsam und
nimmt infolge seiner Wärmespeicherfähigkeit eine Temperatur an, die weitgehend dem
Schaltverhältnis des Zweipunktreglers entspricht. Das Ventil 6 erfährt dadurch eine
Stellgröße, die ebenfalls diesem Schaltverhältnis entspricht.
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Während der Ausschaltperiode des Zweipunktreglers kühlt sich das Ausdehnungsmedium
im Gefäß 2 wieder ab und bewirkt eine Verstellung des Ventils 6 in Schließrichtung
bzw. öffnender Richtung, wohingegen die Abkühlung des Ausdehnungsmediums im Ausdehnungsgefäß
7 gering ist. Beim Wiedereinschalten des Zweipunktreglers 1 bewirkt die schnelle
Aufheizung des Mediums im Gefäß 2 wiederum eine Verstellung des Ventils 6 in öffnender
Richtung bzw. Schließrichtung. Die Summe der Ausdehnungsvolumina in den Gefäßen
2 und 7 entspricht dem Stellbereich des Ventils 6.
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Durch die Wahl ihres gegenseitigen Verhältnisses wird auch das Verhältnis
des stetigen Verhaltens zum Zweipunktverhalten der Stellgröße gewählt.
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Das Zweipunktverhalten des Ventils 6, welches durch das Gefäß 2 bewirkt
wird, geschieht bei diesem Ausführungsbeispiel um die dem Schaltverhältnis des Zweipunktreglers
entsprechende,
annähernd stetige Stellgröße, die durch das Gefäß
7 gegeben ist, herum. Demgegenüber geschieht das Zweipunktverhalten des Ventils
im ersten Anwendungsbeispiel zwischen der geschlossenen Stellung und der durch das
Schaltverhältnis des Zweipunktreglers und dem entsprechenden Zustand-des temperaturabhängigen
Widerstandes gegebenen, annähernd stetigen Stellgröße. In beiden Fällen kann der
Vorgang als "stetig begrenztes Zweipunktverhaltenbezeichnet werden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die
Heizung 8 eines elektrothermischen Stellantriebs, bestehend aus einem Ausdehnungsgefäß
7 und Balg 3, vom Zweipunktregler 1 zusammen mit einer Wärmeträger-Umwälzpumpe 12
gesteuert. Das Ausdehnungsgefäß 7 kann dabei mit thermischer Isolation und Masse
9 versehen sein; vgl. Fig. 3a. Die Impulse des Zweipunktreglers 1 werden wie bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 im Gefäß 7 und gegebenenfalls in der Masse und
Isolation 9 integriert und ergeben im Gefäß 7 eine Temperatur, die weitgehend dem
Schaltverhältnis des Zweipunktreglers 1 entspricht. Dadurch erhält das Ventil 6
eine annähernd stetige Stellgröße, die ebenfalls diesem Schaltverhältnis entspricht.
Während der Ausschaltperioden des Zweipunktreglers 1 wird auch die Umwälzpumpe 12
ausgeschaltet, wodurch der Wärmeträgerstrom zum Stillstand kommt.
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Während der Einschaltperioden fördert die Umwälzpumpe den Wärmeträgerstrom
so, wie er durch die Stellung des Ventils 6 vorgegeben ist.
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Wie Fig. 4 zeigt, besteht ein viertes Ausführungsbeispiel aus einem
elektromagnetischen Stellantrieb mit Tauchanker 10, Solenoid 11 und Feder 15. Im
Stromkreis des Zweipunktregers 1 sind das Solenoid 11 und ein temperaturabhängiger
Widerstand 5 geschaltet. Die Funktionsweise ist analog dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1, mit dem Unterschied, daß die Bewegungen des Ventils 6 beim Schalten des
Zweipunktreglers 1 schneller sind, entsprechend der schnelleren Wirkungsweise des
elektromagnetischen Stellantriebs.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird die Wärmeträger-Umwälzpumpe
12 als Stellgerät durch Steuerung der Drehzahl verwendet. In Analogie zu den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 1 und 4 erfolgt die Speisung des Pumpenmotors bzw. dessen Drehzahlsteuergerätes
16 (Fig. 5a) durch die Impulse des Zweipunktreglers 1 über den temperaturabhängigen
Widerstand 5.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt in Analogie zum Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 5 die Steuerung der Drehzahl eines Ventilators 13 durch die Impulse des
Zweipunktreglers 1 über den temperaturabhängigen Widerstand 5.
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Fig. 7 veranschaulicht einen elektrothermischen Bimetallantrieb 17
für Luftklappen 18, dessen elektrische Heizung 19 mit Masse und thermischer Isolation
20 versehen ist. Analog dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird die elektrische
Heizung 19 zusammen mit dem Ventilator 13 durch die Impulse des Zweipunktreglers
1 gesteuert. Durch die Wärmespeicherwirkung der Masse und Isolation 20 werden die
Impulse des Zweipunktreglers integriert und ergeben eine Temperatur, die weitgehend
dem Schaltverhältnis des Zweipunktreglers 1 entspricht. DadurCh erh die Luftklappe
18 über den Ausbiegungszustand des Bimetallantriebs 17 eine Stellung, die ebenfalls
weitgehend diesem Schaltverhältnis entspricht und ein annähernd stetiges Verhalten.
Darauf überlagert sich Durch die Steuerung des Ventilators durch den Zweipunktregler
ein Zweipunktverhalten des Luftstromes zwischen Stillstand und dem durch die Luftklappe
18 in weitgehend stetiger Weise vorgegebenen Zustand.
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Wie in Fig. 8 gezeigt ist, weist ein elektrothermischer Bimetallantrieb
22 für-Luftklappen 18 mindestens zwei elektrische Heizungen 23 und 24 auf, wobei
die Heizung 23 mit Masse und thermischer Isolation 26 versehen ist, während die
Heizung 24 in gutem thermischen Kontakt mit dem Bimetall 25 steht und kleine Masse
aufweist.
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Die Heizungen 23 und 24 werden durch die Impulse des Zweipunktreglers
1 gespeist. Durch die Heizung 24 erwärmt sich das Bimetall mit geringer Verzögerung
und bewirkt durch seine Ausbiegung eine Verstellung der Luftklappe 18. Durch die
Heizung 23 hingegen erwärmt sich das Bimetall langsam und nimmt infolge der Wärmespeicherfähigkeit
der Masse und Isolation 26 eine Temperatur an, die weitgehend dem Schaltverhältnis
des Zweipunktreglers entspricht. Die Luftklappe 18 erfährt dadurch eine Stellgröße,
die ebenfalls diesem Schaltverhältnis entspricht. Während der Ausschaltperiode des
Zweipunktreglers kühlt sich die Heizung 24 wieder ab und bewirkt eine Verstellung
der Luftklappe in umgekehrter Richtung; die Heizung 23 hingegen behält ihre Temperatur
weitgehend bei.
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Die Betriebsweise ist also, analog dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
2, ein durch die schnelle Heizung 24 bewirktes, begrenztes Zweipunktverhalten der
Luftklappe um eine durch die Heizung 23 gegebene, weitgehend stetige Stellgröße
herum.
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Entsprechend Fig. 9 besteht die dort gezeigte Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem elektrothermischen Bimetallantrieb 28
für die Luftklappe 18, mit dem Bimetall 25 und der Heizung 27, welch letztere von
einem Zweipunktregler 1 über einen thermisch trägen temperaturabhängigen Widerstand
5 gespeist wird. Die Funktionsweise ist analog den Ausführungsbeispielen nach Fig.
1 und 4.
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Für die Ausführung der Beispiele nach Fig. 1, 4, 5, 6 und 9, bei welchen
als Zeitglied ein thermisch träger temperaturabhängiger Widerstand verwendet wird,
kann es sich als zweckmäßig erweisen, letzteren zusätzlich zu seiner Eigenerwärmung
durch die Impulse des Zweipunktreglers über eine elektrische Heizung 14 zu erwärmen.
Dies ist beispielsweise in Fig. 10 gezeigt.
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Für die Ausführung aller Beispiele ist es unwesentlich, welcher Art
die Zweipunktregler gewählt werden. Es können beispielsweise Bimetallthermostate,
Hygrostate oder elektronische Regler mit Zweipunktausgang (kippendem Ausgang) sein.