DE2509424B2

DE2509424B2 - SENSOR FOR A THERMOSTATIC CONTROL CIRCUIT

Info

Publication number: DE2509424B2
Application number: DE19752509424
Authority: DE
Inventors: Niels Peter Grand Augustenborg Graversen (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-03-05
Filing date: 1975-03-05
Publication date: 1977-03-24
Also published as: JPS51113168A; FR2303275B3; FR2303275A1; DE2509424A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühler für einen thermostatischen Regelkreis, mit einer sich bei Erwärmung ausdehnenden Füllung, die eine Ausdehnungsflüssigkeit aufweist.The invention relates to a sensor for a thermostatic control circuit, with a heating system expanding filling that has an expansion fluid.

Es sind Fühler dieser Art bekannt (DT-AS 11 89 819), die mit einer Ausdehnungsflüssigkeit, wie Toluol oder einem anderen flüssigen Kohlenwasserstoff versehen sind und thermostatische Ventile beeinflussen, die im Rücklauf eines Wärmetauschers einer Warmwasser-Heizungsanlage angeordnet sind. Die Vorteile eines solchen Fühlers liegen darin, daß er über ein Kapillarrohr mit dem thermostatischen Arbeitselement und gegebenenfalls einer Sollwert-Einstellvorrichtung verbunden werden kann, so daß die Lage des Fühlers verhältnismäßig frei gewählt werden kann.There are sensors of this type known (DT-AS 11 89 819), which are provided with an expansion liquid such as toluene or another liquid hydrocarbon and influence thermostatic valves in the return of a heat exchanger of a hot water heating system are arranged. The advantages of such a sensor are that it has a Capillary tube with the thermostatic working element and, if necessary, a setpoint adjustment device can be connected so that the position of the sensor can be chosen relatively freely.

Bei Anwendung eines solchen Fühlers ir. einem üblichen Regelkreis, wie er sich bei Betätigung eines Heizkörperventils in einem Raum, dessen Temperatur annähernd konstant gehalten werden soll, ergibt, zeigt es sich, daß es praktisch urmöglich ist, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem das Stellglied des Arbeitselements bei einer Änderung der Verhältnisse, ζ Β. der Sollwert-Einstellung, sich rasch, aber trotzdem ohne Überschwingen, seiner neuen Stellung nähert. Zum Teil kann dieses Problem durch die Anordnung des gesteuerten thermostatischen Ventils im Rücklauf des Wärmetauschers und teilweise Beeinflussung des Ventils von der Rücklauftemperatur gelöst werden. Dies erfordert aber, daß das Ventil an e<ner speziellen Stelle angeordnet und bezüglich der Wärmeleitung zum Arbeitselement speziell ausgestaltet sein muß.When using such a sensor ir. A conventional control circuit, as it is when actuating a Radiator valve in a room, the temperature of which should be kept approximately constant, shows it turns out that it is practically impossible to achieve a control behavior in which the actuator of the working element when the situation changes, ζ Β. the setpoint setting, quickly, but still without Overshoot, approaching its new position. In part, the location of the controlled thermostatic valve in the return of the heat exchanger and partially influencing the Valve can be released from the return temperature. this but requires that the valve be arranged in a special place and with respect to the heat conduction to the Work element must be specially designed.

Des weiteren sind Fühler bekannt, die mit einem festen oder pastenartigen Dehnstoff gefüllt sind. Bei derartigen Fühlern genügt häufig ein vergleichsweise kleines Fühlervolumen für eine vorgegebene Volumenänderung. Allerdings muß ein solcher Fühler unmittelbar als Arbeitselement verwendet werden. Bei einem bekannten Fühler (FR-PS 11 53 604) dient als Dehnstoff ein kristallines Wachs, das mit Tricresylphosphat oder einem Mineralöl in Lösung ist und dem ein Kupfer- oder Aluminiumpulver zugesetzt sein kann. Bei einem anderen bekannten Fühler (US-PS 25 3'. 497) besteht die Füllung aus Bienenwachs, das mit Latex und Aluminiumpulver oder mit Paradichlorbenzol, Kakaoöl und Rizinusöl gemischt sem kann. Alkohol oder ein anderes Lösungsmittel kann als Verdünner zugesetzt sein. In allen Fällen ergibt sich ein einheitlicher Körper mit einer einheitlichen Zeitkonstante.Furthermore, sensors are known which are filled with a solid or paste-like expansion material. at Such sensors often need a comparatively small sensor volume for a given change in volume. However, such a sensor must be used directly as a working element. At a known sensor (FR-PS 11 53 604) is used as an expansion material a crystalline wax, which with tricresyl phosphate or a mineral oil is in solution and a copper or aluminum powder can be added. At a Another known sensor (US-PS 25 3 '. 497) consists of beeswax filled with latex and Aluminum powder or mixed with paradichlorobenzene, cocoa oil and castor oil. Alcohol or a other solvents can be added as thinner. In all cases there is a unified body with a uniform time constant.

Ferner sind Fühler bekannt (DK-PS 95 395), die nahezu vollständig mit einzelnen festen Polyäthylen-Körpern als Dehnstoff gefüllt sind, während das übrige thermostatische System sowie die Hohlräume zwischen diesen Körpern mit Glyzerin als hydraulische Übertragungsflüssigkeit versehen sind Hierdurch kann man den Vorteil einer verhältnismäßig großen Wärmedehnung anwenden, trotzdem aber einen Fühler getrennt vom Arbeitselement vorsehen. Furthermore, sensors are known (DK-PS 95 395), which are almost completely filled with individual solid polyethylene bodies as expansion material, while the rest of the thermostatic system and the cavities between these bodies are provided with glycerine as a hydraulic transmission fluid Use a relatively large thermal expansion, but still provide a sensor separate from the working element.

ίο Es gibt auch bereits ein Temperaturmeßgerät (DT-OS 23 46 551), das eine Hülle mit einem ersten Ausdeh nungskoeffizienten, einen Zentralkörper mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten, eine Ausdehnungsflüssigkeit mit einem dritten Ausdehnungskoeffizientenίο There is also a temperature measuring device (DT-OS 23 46 551) that has a shell with a first expansion coefficient, a central body with a second expansion coefficient, an expansion liquid with a third expansion coefficient

und eine Kapillare aufweist Durch entsprechende Dimensionierung kann erreicht werden, daß die Höhe der in der Kapillare befindlichen Flüssigkeitssäule bei Temperaturerniedrigung zunimmt oder abnimmt. Als Ausdehnungsflüssigkeit dient Quecksilber. Hülle undand has a capillary By appropriate dimensioning it can be achieved that the height of the liquid column located in the capillary increases or decreases when the temperature drops. Mercury is used as the expansion fluid. Shell and

Zentralkörper sollen aus Kunststoff bzw. Glas bestehen.Central bodies should be made of plastic or glass.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einenThe invention has for its object to be a

Fühler für einen thermostatischen Regelkreis der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der es aufSpecify sensor for a thermostatic control circuit of the type described above, which is on

einfache Weise erlaubt, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem ein Überschwingen weitgehend vermieden wird, trotzdem aber ein rasches Ansprechen sichergestellt ist und der unabhängig von der Art und Anordnung des zu steuernden Stellgliedes ist.allows a simple way to achieve a control behavior in which an overshoot largely avoided is, but a quick response is ensured regardless of the type and Arrangement of the actuator to be controlled is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Ausdehnungsflüssigkeit ein 4 bis 25% des Gesamtvolumens der Füllung einnehmender Ausdehnungskörper aus Wachs in der Form weniger oder nur eines Stückes angeordnet istThis object is achieved according to the invention in that a 4 to 25% of the Total volume of the filling occupying expansion body made of wax in the form less or only of a piece is arranged

Die Ausdehnungsflüssigkeit, unter der im Sinne dieser Lehre solche Flüssigkeiten verstanden werden, die einen technisch brauchbaren volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der in der Regel über 0,0008 liegt, spricht zwar rasch an, so daß sich das Stellglied der erforderlichen neuen Stellung rasch nähert. Da die Ausdehnungsflüssigkeit aber nur einen Teil der Volumenänderung bewirkt, die restliche Volumenänderung durch das Wachs aber langsamer und mit einer gewissen Verzögerung erfolgt, wird das Stellglied allmählich in seine neue Stellung geführt. Überschwingungen sind daher wesentlich geringer und können bei entsprechender Wahl der beiden Dehnstoffe völlig unterbunden werden. Man erhält daher eine Regelung ähnlich einer Proportional Integral-Regelung und damit ein stabileres Regelsystem.The expansion fluid, under the meaning of this Teaching such liquids are understood that have a technically useful volumetric coefficient of expansion have, which is usually above 0.0008, responds quickly, so that the actuator of the is rapidly approaching the required new position. Because the expansion fluid only part of the volume change causes the rest of the volume change through the wax, but more slowly and with a certain amount If there is a delay, the actuator is gradually moved into its new position. Overshoots are therefore much less and can be completely prevented with the appropriate choice of the two expansion materials will. A regulation is therefore obtained that is similar to a proportional integral regulation and thus a more stable one Control system.

Wachs hai nicht nur die gewünschte größere Zeilkonstante, sondern es hat im Arbeitsbereich, also innerhalb seines Schmclzbereichs, eine Volumenänderung, die ein Mehrfaches der Volumenänderung der üblichen Ausdehnungsflüssigkeit beträgt Beispielsweise ist sie achtfach größer als diejenige des Toluol. Man kommt daher mit einem verhältnismäßig geringen Wachsvolumen von 4 bis 25% des Gesamtvolumens der Füllung aus und erreicht es trotzdem, daß die VolumenSnderung des Wachses etwa 30 bis 70%, vorzugsweise etwa 50%, der gesamten Volumenänderung des Fühlers beträgt. Durch die Wahl dieses Anteils der Volumenänderung hat man bei gegebener Ausdehnungsflüssigkeit und gegebenem Wachs einen weiteren Parameter zur Verfügung, um eine Anpassung an einen gewünschten Regelkreis vorzunehmen. Die geringe Menge des Wachses ermöglicht es ferner, den Fühler für ein gegebenes Ausdehnungsvolumen insgesamt kleiner zu halten. Da Wachs oberhalb des Schmelzbereichs Wax not only has the desired larger cell constant, but also has a change in volume in the working range, i.e. within its melting range, which is a multiple of the change in volume of the usual expansion fluid, for example, it is eight times greater than that of toluene. A relatively small wax volume of 4 to 25% of the total volume of the filling is sufficient and it is nevertheless achieved that the change in volume of the wax is about 30 to 70%, preferably about 50%, of the total change in volume of the sensor. By choosing this proportion of the volume change, with a given expansion fluid and a given wax, a further parameter is available in order to adapt to a desired control loop. The small amount of the wax also makes it possible to keep the probe in total less for a given expansion volume. Because wax is above the melting range

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keine Ausdehnung mehr erfährt, kann die Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung, die das bei Übertemperatur auftretende Zusatzvolumen aufzunehmen hat, kleiner ausgelegt werden. Umgekehrt spielt die bei einer Wachsfüllung auftretende Hysterese nur noch eine *> untergeordnete Rolle, weil die \usdehnungsflüssigkeit auch bei kleinen Temperaturinderungen noch für eine Verstellung des Stellglieds sorgt.does not experience any further expansion, the overtemperature safety device, which does this in the event of overtemperature has to accommodate additional volume occurring, be designed to be smaller. The opposite is the case with one Hysteresis occurring in wax filling only one *> subordinate role, because the expansion fluid is still responsible for a Adjustment of the actuator ensures.

Da das Wachs lediglich in wenigan Stücken oder sogar nur in einem Stück vorliegt, müssen Temperaturänderungen wenigstens teilweise über die Flüssigkeit auf die Oberfläche des Wachses und von dort in das Innere des Wachskörpers übertragen werden. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Verzögerungen, die ebenfalls im Sinne eines besseren Regelvei laufs in das Regel verhalt en eingehen. Man kann auch auf andere Weise Verzögerungsstrecken einbauen, beispielsweise durch Einbau einer Wärmeisolierschicht zwischen den beiden Dehnstoffen. Since the wax is only present in a few pieces or even only in one piece, changes in temperature must be transmitted at least partially via the liquid to the surface of the wax and from there into the interior of the wax body. This results in additional delays, which are also included in the control behavior in the sense of a better control flow. Delay lines can also be built in in other ways, for example by installing a thermal insulation layer between the two expansion materials.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. It shows

F i g. 1 eine Ausführungsform des erfindungs₆cinäßen Fühlers in Verbindung mil dem zugehörigen thermostatischen Systeim und 2F i g. 1 an embodiment of the invention ₆ a sensor in connection with the associated thermostatic system and FIG

F i g. 2 ein Weg-Zeit-Diagramm für das Stellglied.F i g. 2 a path-time diagram for the actuator.

Fig. 1 zeigt einen Fühler 1, ein Arbeitselcment 2 und eine Sollweri-Einstellvorrichtung 2, die untereinander über Kapillarrohre 4 verbunden sind. 1 shows a sensor 1, a working element 2 and a setpoint adjustment device 2, which are connected to one another via capillary tubes 4.

Der Fühler 1 hat ein Gehäuse 5, das mm yo überwiegenden Teil mit einem ersten Dehnstoff β. nämlich einer Ausdehnungsflüssigkeit, liier Toluol, und im übrigen mit einem zweiter. Dehnstoff 7 in Gesiai! eines einstückigen Wachskörpers, der von einer elastischen Hülse 8 umgehen is:, gefüllt is!.The sensor 1 has a housing 5, the mm yo predominant part with a first expansion material β. namely an expansion liquid, liier toluene, and otherwise with a second. Stretch fabric 7 in Gesiai! a one-piece wax body, which is bypassed by an elastic sleeve 8: is filled !.

Das Arbeä'iseleinent 2 weist ;;in Gehäuse 9 aiii, in welchem ein Stellglied tO, hier mit einem Wvsch'uii.¹-stück 11 für ein Ventil, verschiebbar gehalten ist. Der Imienraum 12 ist mittels eines Wellrohres 13 zur Atmosphäre hin abgedichtet. Volumenänderungen im Fühler werden über die Flüssigkeit im Kapillarrohr 4 auf dieses Stellglied 10 übertragen.The Arbeä'iseleinent 2 has ;; in housing 9 aiii, in which an actuator t0, here with a Wvsch'uii. ¹ piece 11 for a valve, is held displaceably. The interior space 12 is sealed off from the atmosphere by means of a corrugated pipe 13. Changes in volume in the sensor are transmitted to this actuator 10 via the liquid in the capillary tube 4.

Die Sollwert-Einstellvorrichtung 3 hat ein Gehäuse 14, in welchem mittels eines Wellrohres 15 ein Flüssigkeitsraum 16 abgegrenzt ist. Dieser Raum läßt sich durch axiale Verstellung des Schaftes t7 verändern. Zum Zweck dieser axialen Verstellung ist em axial festgehaltener Drehknopf 18 mit seinem Gewinde 19 auf den Schaft 17 autgeschraubt Diese Einstellvorrichtung ist mit einer Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung kombiniert, die im wesentlichen aus einer Feder 20 besteht, weiche sich einerseits am Gehäuse 14 und andererseits an einer Hülse 21 abstützt. Wenn sich infolge Übertemperatur die Ausdehnungsflüssigkeit 6 zu stark ausdehnt, wird der Schaft 17 nach oben gedrückt, wodurch übei die Feder 21 die Sicherheitsfeder 20 zusammengepreßt werden kann. The setpoint setting device 3 has a housing 14 in which a liquid space 16 is delimited by means of a corrugated pipe 15. This space can be changed by axially adjusting the shaft t7. For the purpose of this axial adjustment, an axially held rotary knob 18 with its thread 19 is screwed onto the shaft 17. This setting device is combined with an excess temperature safety device, which essentially consists of a spring 20, which is on the one hand on the housing 14 and on the other hand on a sleeve 21 supports. If the expansion fluid 6 expands too much as a result of excess temperature, the shaft 17 is pressed upwards, whereby the safety spring 20 can be compressed via the spring 21.

In F i g. 2 ist über die Zeit t der Weg s aufgetragen, den das Steilglied 10 du-chläuft, wenn der Sollwert plötzlich um einen vorgegebenen Betrag geändert worden ist. Die gestrichelte Kurve gilt für den Fall, daß der gesamte Fühler mit einer Ausdehnungsflüssigkeil, wie Toluol, gefüllt ist. Man ersieht, daß das Stellglied rasch auf den Endwert zubewegt wird, daß aber ein Überschwingen stattfindet, bei einem zu beheizenden Raum also die Raumtemperatur zu hoch wird, worauf das Stellglied wieder zurückbewegt wird usw. Wird dagegen der zweiie Dehnstoff mit größerer Zeitkor;-stante zusätzlich im Fühler verwendet, ergibt sich die voll ausgezogene Kennlinie. Sie hat ⁷.u Beginn denselben raschen Anstieg wie die gestrichelte Kurve, biegt dann aber asymptotisch zum Endwert hin ab. Dies ergibt ein sehr stabiles Regelverhallen. In Fig. 2, the distance s is plotted over the time t that the steep member 10 travels when the setpoint value has suddenly been changed by a predetermined amount. The dashed curve applies in the event that the entire sensor is filled with an expansion liquid wedge such as toluene. It can be seen that the actuator is moved quickly towards the final value, but that overshoot occurs, i.e. the room temperature is too high in a room to be heated, whereupon the actuator is moved back again, etc. If, on the other hand, the two expansion material becomes longer with a greater time correspondence If used in addition in the sensor, the result is the fully drawn-out characteristic. She has ⁷ .u start the same rapid increase as the dashed curve, but then turns asymptotically the final value from. This results in a very stable control response.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde als erster Dehnstoff Toluol verwendet, das einen volumetpschen Ausdehnungskoeffizienten von 1 - 10 V"C hat. Als zweiter Dehnstoff diente eine Wachsart, die einen volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten von y ■ 10-^J/ Γ hat. Dieses Wachs hat demnach einen etwa 8fach gro.'-.-ren Ausdehnungskoeffizienenten als das Tokio!. Dj-- Wachsvolumen betrug etwa 14% des f. i-saimen i ühlerinahlts; demzufolge ergab sich ein Volumen von 86% für die Ausdehnungsflüssigkeit. Hierbei übernimmt das Wachs innerhalb des Arbeitsbereichs von 25 bis 30' C einen Anteil der Volumenänderung von 57⁰Zf' Die Zeitkonstanten der Ausdehnungs-Zeitkurven der beiden Dehnstoffe im Fühler hängen einerseits von Stoffkonstanten, wie speziell Wärme und Wärmeleistung, andererseits aber auch von den gewählten Verhältnissen, wie Anordnung im Fühler oder Oberflächenform, ab. Beispielsweise hat eine Wachskugcl eine größere Zcitkonstame als ein Wachszylincler. Im vorliegenden Fall war die Zeitkonstante für das Wachs rund 3,5mal so groß wie ..lie Zeitkonstante für das Toluol.In the illustrated embodiment has been used as the first expansion material toluene containing a volumetpschen expansion coefficient of 1 -.. Has 10 V "C as a second expansion material used was a type of wax, which has a volumetric expansion coefficient of y ■ 10 ^J / Γ This wax thus has a The expansion coefficient was about 8 times larger than that of Tokyo. Dj-- Wax volume was about 14% of the f Working range from 25 to 30 'C a proportion of the volume change of 57 ⁰ Zf' The time constants of the expansion-time curves of the two expansion materials in the sensor depend on the one hand on material constants, such as specifically heat and heat output, on the other hand, on the selected conditions, such as the arrangement in the sensor or surface shape. For example, a wax ball has a larger Zcitkonstame than a wax cylinder. In the present case wa r the time constant for the wax around 3.5 times as large as ..lie time constant for the toluene.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Sensor for a thermostatic control circuit, with a filling which expands when heated and which has an expansion liquid, characterized in that in the expansion liquid (6) a 4 to 25% of the total volume of the filling from expanding body (7) au :; Wax is arranged in the form of less or only one piece

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the expansion body (7) made of wax is enclosed by an elastic sheath (8)

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the expansion liquid is toluene.