DE3014873C2

DE3014873C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Stellungsrückführung eines mittels eines Wärmemotors gesteuerten Stellgliedes, insbesondere eines Ventils für Heizungsanlagen

Info

Publication number: DE3014873C2
Application number: DE3014873A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. Dr. 6057 Dietzenbach Jeschke; Gerhard 6000 Frankfurt Klee
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1980-04-17
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1983-03-24
Also published as: DE3014873A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stellungsrückführung eines von einem Regler mit Hilfe eines Wärmemotors gesteuerten Stellgliedes, insbesondere eines Ventils für Heizungsanlagen od. dgl., bei dem aus dem Medium oder Ausdehnungsstoff des Wärmemotors ein Meßsignal für die Rückführgröße gebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur vorteilhaften Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem Wärmemotor dieser Art befindet sich im Innenraum eines durch eine nachgiebige Wandung abgeschlossenen Behälters, beispielsweise eines Zylinders mit verschiebbarem Kolben, Balg oder Membran, ein bei Erwärmung oder Abkühlung sein Volumen ändernder Ausdehnungsstoff, dessen Volumenänderung in eine mechanische Energie zur Betätigung des Stellgliedes umgewandelt wird.

Aus der DE-AS 19 35 187 ist eine Regelvorrichtung für Heizungsanlagen mit einem thermohydraulischen Ventil bekannt, bei der das zur Bildung der Rückführgröße dienende Meßsignal von einem elektrischen, mit dem Ausdehnungsfluidium des Wärmemotors in wärmeleitender Verbindung stehenden Te.iiperaturmeßglied erzeugt wird. Dabei ist die von dem Temperaturmeßglied gefühlte Temperatur des Ausdehnungsfluidiums ein Maß für die jeweilige Ventilstellung, und die Ausgangsgröße dieses Temperaturmeßgliedes wird dem Meßzweig einer elektrischen Brücke der Regelvorrichtung als Rückführgröße abgeschaltet. Diestr elektrischen Brücke kann auch ein als Raumtemperaturfühler dienender temperaturabhängiger Widerstand und ein Sollwerteinsteller zugeordnet sein.

Diese bekannte Regelvorrichtung hat den Nachteil, daß als Ausdehnungsstoff nur ein Fluidium verwendet werden kann, bei dem eine eindeutige Zuordnung zwischen der Temperatur des Ausdehnungsfluidiums und der Ventilstellung vorliegt. Nachteilig ist bei dieser Regelvorrichtung ferner, daß das Widerstandsignal des Temperaturmeßgliedes der wirklichen Umgebungstemperatur des Ausdehnungsfluidiums mehr oder weniger stark verzögert folgt. Diese bei jeder Temperaturmessung festzustellende Verzögerung kann die Regelgüte eines Regelkreises mit einem solchen Stellglied verschlechtern. Die bei Wärmemotoren als Ausdehnungsstoff wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften gern verwendeten Wach<;arten sind daher für die bekannte Regelvorrichtung nicht brauchbar. Bei Wärmemotoren mit Wachsfüllung dient nämlich die dem Ausdehr.ungsstoff zugeführte Heiz- oder Kühlenergie nicht dazu, die Temperatur zu verändern, sondern den Aggregatzustand des Ausdehnungsstoffes. Mit der Zustandsänderung ist eine große nutzbare Volumenänderung verbunden, ohne daß sich die Temperatur wesentlich ändert. Auch Ausdehnungsstoffe mit Anomalien in der Ausdehnung, wie z. B. natürliches Wasser, sind bei der bekannten Regelvorrichtung nicht anwendbar, denn auch hier wäre die Temperatur des Ausdehnungsstoffes der Stellung des Stellgliedes nicht eindeutig zugeordnet.

Es wurde daher in der DE-AS 27 49 252 eine Betätigungsvorrichtung für die Verstellung eines Ventils angegeben, bei der ebenfalls ein Meßsignal vom Ausdehnungsstoff des Wärmemotors zur Bildung der Rückführgröße gewonnen wird. Diese Vorrichtung arbeitet mit zwei hintereinandergeschalteten Regelkreisen, wobei einmal ein Temperatur-Istwert mit einem einstellbaren Temperatur-Sollweri verglichen und andersma! der Innendruck im Arbeitsraum des Wärmemotors mit der Kraft einer Ventiibelastungsfeder verglichen wird. Dadurch ergibt sich eine verhältnismäßig komplizierte Ausbildung der Gesamtvorrichtung. Auch herrschen in der Praxis nicht unbedingt eindeutige Zusammenhänge zwischen der Temperatur und dem Druck in den beiden Regelkreisen. Beispielsweise können durch Wandeinflüsse Störungen in diesen Beziehungen auftreten, die dann besonders ausgeregelt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung desselben geeignete Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand in einem einzigen Regelkreis die Rückführung des Stellgliedes unmittelbar aus der Druckregelgröße des Wärmemotors ohne Störungen durch Wärmeträgheit od dgl. ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßsignal aus einer durch den Druck eines Ausdehnungsstoffes des Wärmemotors bewirkten mechanischen Spannung oder Veränderung von elastisch verformbaren, im Bereich des Wärmemotors liegenden festen Teilen gewonnen wird.

Gemäß einer vorteilhaften, einfachen und billigen Ausführungsform der Erfindung kann die mechanische

Spannung oder Veränderung der unter dem Druck des Ausdehnungsstoffes elastisch verformbaren Teile des Wärmemotors oder dessen Halterung od. dgl. mittels auf diesen Teilen angeordneten Dehnungsmeßstreifen in elektrische, dem Druck des Ausdehnungsstoffes entsprechende Meßsignale umgewandelt werden, die über elektrische Leitungen als Rückführgröße in eine elektrische Schaltung des Regelkreises eingeführt sind, welche die Beheizung bzw. Kühlung des Wärmemotors steuert

Eine Druckmessung mittels Dehnungsmeßstreifen ist aus der US-PS 35 35 937 an sich bekannt, dient aber dort zur Messung des Druckes in einer Rohrleitung. Die Dehnungsmeßstreifen können in ebenfalls bekannter Bauweise auf metallischer oder Halbleiterbasis ausge- '5 führt sein. Beispielsweise kann ein Dehnungsmeßstreifen auf der äußeren Oberfläche eines dünnwandigen Bodens des den Ausdehnungsstoff enthaltenden, z. B. zylindrischen Behälters des Wärmemotors befestigt sein. Gemäß einer anderen Möglichkeit k«.nn ein Paar von Dehnungsmeßstreifen auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines elastisch biegsamen Teiles einer mit dem Wärmemotor verbundenen Halterung od. dgl. befestigt sein.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist bei jeder Art von Wärmemotor anwendbar, gleichgültig ob die Ausdehnungsstoffe des Wärmemotors bei Erhitzung ihren Aggregatzustand vollständig oder teilweise ändern. Die zeitliche Verschleppung des Rückführsignals gegenüber der Stellungsänderung des Stellmotors m bzw. Stellgliedes ist äußerst gering.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht.

F i g. 1 zeigt schematisch in einem vertikalen Längsschnitt ein Ventil mit einem Wärmemotor und ■» mittelbaren Druckmessung durch Dehnungsmeßstreifen in zwei Varianten, und

F i g. 2 zeigt ein Schaltbild der Vorrichtung mit elektrischer Widerstandsbrücke.

Das Stellglied der Regelvorrichtung besteht gemäß «o Fig. 1 beispielsweise aus einem Durchgangsventil 1, dessen Gehäuse 2 einen Eintrittsstutzen 3, einen Austrittsstutzen 4 und eine innere Trennwand 5 aufweist. In der Trennwand 5 befindet sich eine Durchtrittsöffnung 6, die von einem Ventilteller 7 mehr *5 oder weniger abgeschlossen bzw. freigegeben werden kann. Der Ventilteller 7 sitzt am freien Ende einer Ventilstange 8, welche verschiebbar, aber dicht durch den Gehäusehals 9 des Ventilgehäuses 2 nach außen geführt und durch ein Kupplungsglied 10 lösbar mit einer Betätigungsstange 11 verbunden ist.

Das Ventilgehäuse 2 ist durch Stehbolzen 12 mit einem Träger 13 verbunden, welcher die Verbindung zwischen dem Ventil 1 und einem Wärmemotor 14 herstellt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht der Wärmemotor 14 aus einem dünnwandigen, rohrföimigen oder zylindrischen Behälter mit einer Rohrwandung 15, einem oberen, ebenfalls dünnen Behälterboden 16 und einem Behälterfuß 17. Durch eine leckfrei abgedichtete Bohrung 18 des mit dem Träger 13 ^b0 verbundenen Behälterfußes 17 ist das obere, als Kolben 19 ausgebildete Ende der Betätigungsstange 11 in den Innenraum 20 des Behälters 15, 16, 17 geführt. Dieser Innenraum 20 ist mit einem Dehnstoff 21 wie vorzugsweise Wachs gefüllt, welcher bei Erwärmung ^b7 aus einem festen Zustand in eine flüssige Zustand^phase übergeht, sich dabei ausdehnt und sein Volumen entsprechend ändert.

Die Behälterwandung 15 ist mit einer elektrischen Heizwicklung 22 versehen, die an Stromzuieitungen 23, 24 angeschlossen ist Auf dem Behälterboden 16 ist gemäß einer Ausführungsform des Wärmemotors gemäß der Erfindung ein Dehnungsmeßstreifen Ri befestigt, z. B. aufgeklebt. An oder in dem Träger 13 ist eine Rückstellfeder 25 angeordnet, die über einen Bund 26 der Betätigungsstange 11 auf letztere wirkt und den Kolben 19 in den BehäherinnenraiLTi 20 drückt Dadurch wird der Dehnstoff 21 stets ausreichend komprimiert und z. B. verhindert, daß er schädliche Glasblasen enthält.

Wenn der Dehnstoff 21 unter der Heizwirkung der Heizwicklung 22 aus der festen in die flüssige Zustandsphase übergeht und sich entsprechend ausdehnt, so bildet sich unter dem Einfluß der Rückstellfeder 25 und etwaiger Gegenkräfte des Stellgliedes 1 im Behälterinnenraum 20 ein Druck aus, durch den die dünnwandigen Teile des Behälters gedehnt werden. Dabei wölbt sich der dünnwandige Boden 16 des Behälters so stark nach außen auf, daß der Dehnungsmeßstreifen Ri entsprechend deformiert wird und seinen elektrischen Widerstand ändert.

Die unter dem Druck des Dehnstoffes 21 auftretende mechanische Dehnung oder Spannung kann nicht nur im direkten Bereich des Wärmemotors 14, sondern auch an einem anderen, von diesem Druck beeinflußbaren Ort der Vorrichtung gemessen werden. Eine solche, anstelle des Dehnungsmeßstreifens Ri anwendbare Variante der Erfindung ist der Einfachheit halber ebenfalls in F i g. 1 gezeigt. Zu diesem Zweck kann der Träger 13 des Wärmemotors 14 teilweise biegefähig ausgebildet sein. Er besteht z. B. aus einem U-förmigen Körper mit einem oberen Schenkel 27, an dem der Behälterfuß 17 des Wärmemotors 14 angebracht ist, mit einem unteren Schenkel 28, an dem die Stehbolzen 12 des Ventilgehäuses 2 befestigt sind, und mit einer elastisch biegsamen Basis 29, die mit den Schenkeln 27, 28 einteilig ausgebildet oder auch aus einem besonderen, geeigneten Material hergestellt sein kann. Auf der biegungsfähigen Basis 29 des Trägers 13 ist ein Paar von einander gegenüberliegenden Dehnungsmeßstreifen R₁' und R2' befestigt, z. B. aufgeklebt, derart, daß sich dieselben einerseits auf der gedehnten und andererseits auf der gestauchten Oberfläche der Basis 29 befinden. Ausführungen der vorstehend beschriebenen Art sind im übrigen gut für die Zwecke der Erfindung brauchbar, weil der Druck im Inneren des Wärmemotorbehälters und die Spannung an der Oberfläche des Behälters oder der Halterung usw. sehr gut durch die Geometrie des Behälters bzw. der sonstigen Teile und dessen bzw. deren Elastizitätsmodul verknüpft sind.

Eine elektrische Schaltung, mit deren Hilfe die elektrischen Meßsignale den Dehnungsmeßstreifen als Rückführgröße einsetzbar sind, ist beispielsweise in Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht. Die Schaltung bedient sich einer bei E gespeisten elektrischen Widerstandsbrücke. In dem linken unteren Brückenzweig stellen Ri bzw. R₂ die an Hand der Fig. 1 beschriebenen Dehnungsmeßstreifen dar. Im rechten unteren Brückenzweig ist ein Festwiderstand R₂ angeordnet, welcher den gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wie Ri besitzt und auch der gleichen Temperatur ausgesetzt ist. Bei der Ausführung^rform mit dem Meßstreifenpaar R₁' und R2' befindet sich der Dehnungsmeßstreifen R₂' im rechten unteren Brückenzweig. Auch dieser besitzt den gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wie R₁', so

daß sich eventuelle Temperatureinflüsse auf die Dehnungsmeßstreifen innerhalb der elektrischen Widerstandsbrücke aufheben.

Im linken oberen Brückenzweig der Widerstandsbrücke gemäß F i g. 2 liegen die Widerstände R₃ und Rs, von denen R₃ ein temperaturempfindlicher Widerstand ist, mit welchem beispielsweise die zu regelnde Temperatur eines Raumes gemessen wird. Im rechten oberen Brückenzweig der F i g. 2 liegen die Widerstände R₄ und R₆, von denen R₄ als veränderlicher Widerstand, z. B. in Form eines Potentiometers, ausgebildet ist, mit dem der Sollwert der zu regelnden Raumtemperatur vorgegeben werden kann. Die bei einem Ungleichgewichtszustand der Widerstandsbrükke auftretende Diagonalspannung wird einem Verstärker V zugeleitet, welcher mittels eines Schaltgliedes, z. B. in Form eines Relais oder eines Leistungshalbleiters, dafür sorgt, daß die Heizung des Wärmemotors ein- bzw. ausgeschaltet wird. Der Gleichgewichtszustand der Widerstandsbrücke läßt sich nach den bekannten Formeln der Elektrotechnik berechnen. Von den vielen möglichen Gleichgewichtszuständen sei beispielsweise derjenige genannt, bei dem Rs + R₃ = R₄ + Re und Ri bzw. R/bzw. R," = R₂ bzw. R₂' ist.

Wenn beispielsweise der Gleichgewichtszustand der Widerstandsbrücke dadurch gestört wird, daß sich die zu regelnde Raumtemperatur ändert, so ändert sich auch der Wert des von dieser Temperatur beeinflußten Widerstandes R₃. Die dadurch verursachte Diagonalspannung der Widerstandsbrücke wirkt über den Verstärker V und die angeschlossenen Schaltmittel auf den Wärmemotor 14 ein, z. B. s :>, daß derselbe durch die Heizwicklung 22 aufgeheizt wird. Durch die Volumenänderung des Dehnstoffes 21 wird der Kolben 19 aus dem Innenraum 20 des Wärmeinotors 114 nach außen, gemäß Fig. 1 nach unten verdrängt uriid schließt das Durchgangsventil 1, welches z. B. die Wärmezufuhr zu

ϊ einem in dem zu regelnden Raum befindlichen Warmwasserheizkörper steuert. Nun könnte allerdings die Beheizung des Wärmemotors 114 durch die Heizwicklung 22 an sich bewirken, daß der Kolben 19 seinen maximalen Hubweg durchlaufen würde. Daidurch

κι würde aber das Durchgangsventil 1 zu lange in eine Stellung gebracht werden, die für die Erwärmung des Raumes nicht richtig wäre. Der Temperaturfühler R₃ würde nämlich nach einer gewissen Zeit anzeigen, daß der Raum zu kalt geworden ist, und es würde der umgekehrte Stellvorgang stattfinden. Die Beheizung des Dehnstoffes 2! würde zu lange abgeschaltet sein, und es käme zu den jedem Fachmann bekannten Regelungsschwingungen. Um einen solchen instabilen Regelkreis zu dämpfen oder zu stabilisieren, wird eine

-'Ii Rückführung folgender Art vorgesehen:

Die zur Stabilisierung des Regelvorganges erforderliche Rückführgröße wird aus den elektrischen Meßsignalen des Dehnungsmeßstreifens Ri (Variante I der F i g. 1) oder des Dehnungsmeßstreifenpaares R/ und R₂' -'"> (Variante II der Fig. 1) gewonnen. Wenn nämlich wegen des Druckanstieges im Innemraum 29 des Wärmemotors 14 bzw. 14' diese Meßelernente aktiviert werden, dann kommt die Widerstandsbrücke bereits ins Gleichgewicht, wenn der Kolben 19 nur zu einem J') kleinen Teil aus dem Innenraum 20 des Wärmemotors ausgetreten ist. Wie groß der Weg des Kolbens 19 bis zur Erreichung des Brückengleichgewichtes ist, hängt von der Dimensionierung der Widerstände Ri, R₂ usw. bis R₆ ab.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stellungsrückführung eines von einem Regler mit Hilfe eines Wärmemotors gesteuerten Stellgliedes, insbesondere eines Ventils für Heizungsanlagen od. dgl., bei dem aus dem Medium des Wärmemotors ein Meßsignal für die Rückführgröße gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus einer durch den Druck eines Ausdehnungsstoffes des Wärmemotors bewirkten mechanischen Spannung oder Veränderung von elastisch verformbaren, im Bereich des Wärmemotors liegenden festen Teilen gewonnen wird.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Spannung oder Veränderung der unter dem Druck des Ausdehnungsstoffes elastisch verformbaren Teile des Wärmemotors oder dessen Halterung od. dgl. mittels auf diesen Teilen angeordneten Dehnungsmeßstreifen (Ri oder Ri', R2') in elektrische, dem Druck des Ausdehnungsstoffes entsprechende Meßsignale umgewandelt werden, die über elektrische Leitungen als Rückführgröße in eine elektrische Schaltung des Regelkreise«, eingeführt sind, welche die Beheizung bzw. Kühlung des Wärmemotors (14) steuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dehnungsmeßstreifen (Ri) auf der äußeren Oberfläche eines dünnwandigen Bodens (16) des den Ausdehnungsstoff (21) enthaltenden, z.B. zylindrischen Behälters (15, 16, 17) des Wärmemotors (14) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- j5 zeichnet, daß ein Paar von Dehnungsmeßstreifen (Ri' und R₂') auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines elastisch biegsamen Teiles (29) einer mit dem Wärmemotor (14) verbundenen Halterung (27,28,29) od. dgl. befestigt ist.