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Thermischer Stellantrieb
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Die Erfindung betrifft einen thermischen Stellantrieb nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Stellantriebe der bezeichneten Art sind seit langem, beispielsweise
für die Betätigung von Regelventilen in der Heizungstechnik, bekannt. Die Steuerung
der Stellantriebe selbst erfolgt dabei, abhängig vom Verwendungszweck, in sehr unterschiedlicher
Weise.
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Fur die Anwendung bei einer Zweipunktregelung, wie sie in US-PS 32
66 235 beschrieben ist, genügt es beispiel«veise, wenn ein - gegebenenfalls verstellbarer
- ortsfester Endlagenschalter in den Heizstromkreis gelegt ist, der in irgendeiner
Form vom Stellkolben durch dessen vom beheizten Dehnstoff erzwungenen Stellweg geschaltet
wird. In vielen Anwendungsfällen ist aber eine reine Zweipunktregelung nicht ausreichend.
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Eine derartige Anordnung kann auch gemäß DD-PS 93 467 als Proportionalverstärker
arbeiten, wenn die Stellung des Endlagenschalters variabel ist und von einem aufgeprägten
Wegsignal abhängt. In diesem Fall können aber elektrische Signale nicht ohne Umformung
in Wegsignale zur Steuerung der Stellung des Stellkolbens herangezogen werden.
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Es ist auch bereits bekannt, Stellantriebe der eingangs beschriebenen
Borm so anzugeben, daß sie eine stetige Stellbewegung des Stellkolbens zulassen.
In DE-AS 19 35 187 ist ein Stellantrieb für die stetige Verstellung eines Xeizungsventils
in Abhängigkeit von der Raumtemperatur beschrieben, bei dem die Temperatur des Dehnstoffes
im Gehäuse selbst gemessen und dem elektrischen Regler für die Raumtemperatur als
Rückfübrgröße aufgeschaltet wird. Der dafür erforderliche Temperaturfühler ist dabei
als Thermistor ausgeführt und in einen Zweig einer elektrischen Brückenschaltung
gelegt, in der sich außerdem sowohl ein weiterer Temperaturfühler für die eigentliche
Regelgröße - die Raumtemperatur -, als auch ein Sollwertsteller für diese Regelgröße
befinden. Der
Thermistor und die von ihm gesteuerte elektrische
Heizvorrichtung befinden sich innerhalb des Gehäuses im Dehnstoff des Stellantriebes.
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Eine solche Anordnung hat mehrere Nachteile. Einmal sind Arbeitselemente
für derartige Stellantriebe oft so klein, daß die Unterbringung der Heizvorrichtung
und des Thermistors innerhalb des Gehäuses nur mit großer Schwierigkeit möglich
ist oder eine ungerechtfertigte Vergröerung des Stellantriebes nach sich zieht.
Ferner sind für die Stromzuführungen in das Innere des Gehäuses Durchführungen erforderlich,
die einwandfrei abgedichtet sein müssen und den gegebenenfalls hohen Dehnstoff-Drücken
standzuhalten haben. Außerdem ist unter Umstanden die Kennlinie des Thermistors
zu linearisieren. Damit ergibt sich insgesamt ein Aufwand, wie er für eine Massenfertigung
derartiger Stellantriebe unvorteilhaft ist.
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Gemäß US-PS ja 13 606, insbesondere Fig. 5, ist es auch bekannt, den
Stellkolben als Teil eines Potentiometers auszuführen und auf diese Weise seine
Stellung von einem aufgeprägten elektrischen Sollwert abhängig zu machen; eine derartige
Rückführung erlaubt ebenfalls eine stetige Verstellung des Stellkolbens in Abhängigkeit
von einer Regelgröße. Die Anordnung ist jedoch kompliziert und teuer.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es in vielen praktischen
Anwendungsfällen vor allem der Heizungstechnik genügt, den Stellantrieb quasistetig
auszuführen und trotz der Verwendung diskreter elektrischer Signale für die Steuerung
des Stellkolbens dessen Stellung den Anforderungen eines auf geprägten Regel- oder
Steuerungabefehls anzupassen.
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Demgemäß hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Nachteile
der bekannten Anordnungen zu vermeiden und einen Stellantrieb der geschilderten
Art so zu gestalten, daß die Vorteile einer billigen Zweipunktregelung mit denen
einer
proportionalen Regelung verbunden werden, indem der Stellkolben eine beliebige Anzahl
von diskreten Stellungen einzunehmen vermag, so daß einem elektrischen Eingangssignal
etwa ein proportionaler Stellweg des Stellkolbens entspricht. Dabei sollen alle
Steueroperationen elektrisch ausgeführt werden, wobei der Stellantrieb sowohl in
einem Regelkreis für beliebige Regelgrößen gelegen als auch Teil einer Steuerung
sein kann. Der Stellantrieb soll mit geringem Aufwand in großen Stückzahlen herstellbar
und universell einsetzbar sein. Ferner ist es erwünscht, daß die Kennlinie des Stellantriebes
und damit des Stellgliedes für das zu steuernde Fluid in einfacher Weise veränderbar
ist und der Stetigkeitsgrad der quasistetigen Bewegung des Stellkolbens den jeweiligen
Bedürfnissen angepaßt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil
des 1. Anspruches angegebenen Merkmale gelöst.
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Obwohl die Erfindung auf eine Temperaturmessung im Gehäuse des Stellantriebes
verzichtet, kann mit ihrer Hilfe doch eine einwandfreie, quasi-stetige Nachlaufregelung
ohne die Vervxendung zusätzlicher mechanischer Bauelemente hergestellt werden. Da
der Leistungsbedarf für die Beuchtdiodenkaskade sehr klein ist, kommt man mit unverstärkten,
von elektrischen Meßwertgebern gelieferten oder willkürlich vorgegebenen elektrischen
Signalen aus, so daß die verwendeten elektrischen Steueranordnungen sämtlich mit
Hilfe elektronischer Schaltungen realisierbar sind; deren Platzbedarf ist so gering,
daß er gegenüber dem mechanischen Teil des Stellantriebs vernachlässigbar ist.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen
enthalten. Dabei wird deutlich, daß das Anwendungsgebiet der Erfindung noch wesentlich
erweitert werden kann. So ist es in einfacher Weise möglich, die Leuchtdiodenkaskade
dem jeweils erforderlichen Stellweg
des Stellkolbens so anzupassen,
daß sie in ihrer gesamten LanGe ausnützbar ist. Der Linearitätsgrad der StellLolben-Bewegung
zum Leuchtband ist variierbar, so daß auch nichtlineare Kennlinien erzeugt werden
können. Einzelne, fachüblich bekannte Maßnahmen, die diese Wirkungen unterstützen,
erweitern den möglichen Einfluß auf die Kennlinie des Stellantriebs weiter. Ferner
ist es möglich, den Stetigkeitsgrad der Stellkolben-Bewegung zu beeinflussen, da
man dem gleichen Stellkolben-Weg ganz verschiedene Anzahlen von Leuchtdioden in
der Leuchtdiodenkaskade zuordnen kann, deren gegenseitiger Abstand zudem in gewissen,
vom opto-elektrischen Wandler abhängigen Grenzen veranderbar ist. Die Stellglieder
können sowohl als Offnungs- als auch als Schließventile ausgeführt sein; die erfindungsgemäße
Anordnung erfährt gegebenenfalls nur eine Veränderung insofern, als noch eine invertierende
Schaltung hinzukommt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel
für kurzhubige Stellglieder mit direkter Kopplung der Stellkolben-Bewegung an das
Leuchtband und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für universelle Anwendung.
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Der thermische Stellantrieb gemäß Fig. 1 besteht zunächst im wesentlichen
aus einem Arbeitselement 1, dessen Gehäuse 11 in bekannter Weise mit einem wärmeempfindlichen
Dehnstoff wie Wachs oder dergleichen gefüllt ist. Die Volumenanderung des Dehnstoffes
bei Wärmeeinfluß sorgt für die temperaturabhängige bewegung 12 eines Stellkolbens
13; die mechanischen Einzelheiten dazu, insbesondere die Abdichtung des Stellkolbens
13 gegen den Dehnstoff, sind dem Fachmann geläufig und in der Zeichnung daher weggelassen.
Eine einerseits den Stellkolben 13 belastende, andererseits an einem Anschlag 14
ortsfeste Rückstellfeder 15 sorgt dafür, daß der Stellkolben 13 beständig in
der
Richtung auf das Gehäuse 11 belastet ist.
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Mit Hilfe einer in einem netzstromgespeisten Heisstromkreis 2 gelegenen
Heizvorrichtung 21 wird das Gehäuse 11 beheizt, wenn im Heizstromkreis 2 elektrischer
Strom fließt. Die Ausgestaltung der Heizvorrichtung 21 ist in weiten Grenzen beliebig;
die in der Zeichnung gewählte Widerstandserwärmung mittels einer Heizwendel ist
aber naheliegend. Der Heizstromkreis 2 wird von einem Sckwellwertschalter 22. geöffnet
oder geschlossen, wenn er seinerseits über eine Steuerleitung 23 einem entsprechenden
elektrischen Signal ausgesetzt ist, das von einem optoelektrischen Wandler 16 bereitgestellt
wird. Als Wandler 16 kann beispielsweise eine Fotodiode verwendet werden.
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Der Wandler 16 ist in diesem einfachen Ausführungsbeispiel starr am
Stellkolben 13 befestigt.
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Eine ortsfeste Leuchtdiodenkaskade 3 ist so vorgesehen, daß sie dem
Wandler 16 gegenüberliegt und der mit dem Stellkolben 13 bewegliche Wandler 16 ihren
Strahlungsbereich nicht zu verlassen vermag, so daß jede einzelne Leuchtdiode 31
im Wandler 16 ein elektrisches Signal auslösen kann; ihre Höhe und damit die Anzahl
der Leuchtdioden 31 ergibt sich aus dem gewünschten möglichen Stellweg des Stellkolbens
13.
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Alit Hilfe einer Ansteuerschaltung 4 wird die Leuchtdiodenkaskade
3 so geschaltet, daß - an einem Ende, etwa bei der Leuchtdiode 32 beginnend - ein
zusammenhängendes leuchtband aus strahlenden Leuchtdioden 31 entsteht, dessen Zange
durch Zu- und Abschalten von Leuchtdioden 31 variieren kann; die Länge des Leuchtbandes
ist dabei der Eingangsspannung in die Ansteuerschaltung 4 proportional.
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Diese Eingangsspannung wird von einer Steuereinheit 5 geliefert, die
ihrerseits entweder als Regler ausgebildet ist und durch Vergleich einer elektrisch
gemessenen Regelgröße des Fluids mit einem Sollwert die Singangsspannung in die
Ansteuerschaltung 4 festlegt oder als, beispielsweise auch programmierbares, Steuergerät
£r diese
Eingangsspannung betrieben werden kann. Zwischen der Ansteuerschaltung
4 und der Steuereinheit 5 kann in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise eine invertierende
Schaltung 6 vorgesehen sein, wenn die Proportionalität zwischen LeßgröSe am Fluid
und Stellgröße am Stellglied umgekehrt werden soll. Die Schaltung 6 wird aber bei
der weiteren Darstellung außer acht gelassen.
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Es sei in Übereinstimmung mit der Orientierung der Leuchtdiode 32
in Fig. 1 angenommen, daß das Leuchtband durch die Ansteuerschaltung 4 so ausgebildet
wird, daß es in der Leuchtdiodenkaskade 3 nach oben zunimmt. Wenn nun der Wandler
16 vom Leuchtband erreicht und beleuchtet wird, schaltet er über den Schwellwertschalter
22 die Heizvorrichtung 21 ein. Der durch die nachfolgende Erwärmung expandierende
Dehnstoff im Gehäuse 11 treibt den Stellkolben 13 aus dem Gehäuse 11 so lange, bis
der Wandler 16 in den nicht-leuchtenden Teil der Leuchtdiodenkaskade 3 gelangt;
dann unterbricht der Wandler 16 über den Schwellwertschalter 22 den Heizstromkreis
2 und schaltet so die Heizvorrichtung 21 ab. Unter Abkhhlung des Dehnstoffs im Gehäuse
11 erfolgt eine Rückbewegung des Stellkolbens 13, der damit über einen längeren
Zeitraum Schwingungen geringer Amplitude und geringer Frequenz um eine Stellung
ausführt, die durch das bewegliche Ende des Leuchtbandes in der Leuchtdiodenkaskade
3 bestimmt ist. Da, wie bereits geschildert, die Länge des Leuchtbandes von der
von der Steuereinheit 5 gelieferten Eingangsspannung der Ansteuerschaltung 4 bestimmt
wird, kann damit der Stellweg des Stellkolbens 13 dieser Eingangsspannung stets
proportional folgen.
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Die Stufung des in diskreten Schr m verlaufenden Stellweges des Stellkolbens
13 kann durch Kaskadierung der Ansteuerschaltung 4 und Variierung der Anzahl der
Leuchtdioden 31 in der Leuchtdiodenkaskade 3 in weiten Grenzen gewählt werden. Durch
Einfügen der invertierenden Schaltung 6 in den Signalweg zwischen der Steuereinheit
5 und der Ansteuerschaltung 4 kann bei vorgegebener Orientie-
rung
des Eingangssignals der Steuereinheit 5 die Bewegungsrichtung des Stellkolbens 13
umgekehrt werden, so daß zum Beispiel wahlweise mit dem gleichen meßsignal öffnende
oder schließende Stellglieder betrieben werden können.
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Der Dehnstoff im Gehäuse 11 wird zwecksmäßig so gewählt, daß sich
der gesamte Stellweg des Stellkolbens 23 in einem kleinen Temperaturintervall vollzieht,
dessen Lage wie auch die Bemessung der Heizleistung der Heizvorrichtung 21 unter
Beachtung der Umgebungstemperatur des Stellantriebes und der gewünschten Stellgeschwindigkeit
festzulegen ist. Die Ansteuerschaltung 4 kann durch einen integrierten Schaltkreis
gebildet werden.
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Es ist zweckmäßig, daß - wie auf dem Fachgebiet bekannt und geläufig
- für den Stellantrieb eine Uberlastsicherung vorgesehen ist, etwa in der Weise,
daß das Arbeitselement 1 während des normalen Betriebs in seiner Ruhelage unter
der Wirkung einer tterlastfeder festgehalten und bei thermischer Überlastung gegen
deren Wirkung verschoben wird; es ist allerdings zu empfehlen, den Überlastweg klein
zu halten und an seinem Ende durch einen dabei betätigten, im Heizstromkreis 2 gelegenen
Endlagenschalter die Heizvorrichtung 21 abzuschalten.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Leuchtdiode 32
der Beuchtdiodenkaskade 3 nicht ab schaltbar ist, so daß das Arbeitselement 1 ständig
betriebsbereit ist.
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Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 der Stellweg des Stellkolbens
13 direkt mit der Bewegung des Leuchtbandes in der Leuchtdiodenkaskade 3 gekoppelt
ist, wodurch sich eine sehr einfache Bauweise ergibt, die in vielen Bällen ausreichend
ist, ist im Ausführungsbeispiel der Big. 2 mit nur geringem Mehraufwand das Anwendungsgebiet
der Erfindung beträchtlich erweitert. Es ist in der Zeichnung allein die dafür erforderliche,
gegenüber dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zusätzliche Baugruppe
dargestellt, weil ansonsten alle anderen Funktionselemente denen der Fig. 1 entsprechen,
aus der lediglich der Stellkolben 13, die Leuchtdiodenkaskade 3 und der Wandler
16 übernommen sind, die aber zur besseren Unterscheidung in Fig. 2 mit 130 bzw.
30 bzw. 160 bezeichnet sind; ein Ende 131 des Stellkolbens 130 taucht in bekannter
Weise in das Arbeitselement 1 ein, während ein Sunde 132 auf das Stellglied wirkt.
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Die Leuchtdiodenkaskade 30 ist in einer Trägerplatte 7 angebracht
und bildet in einfacher Weise den Teil eines Kreisbogens, dessen IWIittelpunkt von
einen Schwenklager 71 gebildet wird, in dem ein einarmiger Hebel 72 leicht drehbar
gelagert ist.
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Im Stellkolben 130 ist ein in den Schwenkbereich des Hebels 72 ragender
Querstift 133 befestigt, gegen den der Hebel 72 unter der Wirkung einer Feder 73
ständig anliegt. Am freien Ende des Hebels 72 befindet sich der Wandler 160. Die
Trägerplatte 7 ist beim Betrieb der Anordnung ortsfest, jedoch sonst in der durch
einen Pfeil 74 angedeuteten Richtung gegen die Achse des Stellkolbens 130 des im
Normalbetrieb ebenfalls ortsfesten Arbeitselementes 1 verschiebbar ausgeführt; in
einfacher Weise sind zu diesem Zweck die Bohrungen für die Befestigungsschrauben
75 der Trägerplatte 7 im auf der Zeichnung nicht dargestellten Gesamtgehäuse des
Stellantriebs als Langlöcher 76 gebohrt. Es versteht sich, daß die durch den PfeiL
74 veranschaulichte Richtung nicht notwendig senkrecht auf der Achse des Stellkolbens
130 stehen muß.
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In der Anordnung der Fig. 2 wird die Bewegung in der Leuchtdiodenkaskade
30 bereitgestellten Leuchtbandes unzersetzt auf den Stellkolben 130 übertragen.
In einfacher Weise kann stattdessen eine Übersetzung erzielt werden, wenn etwa das
Schwenklager 71 zwischen den Querstift 133 und die leuchtdiodenkaskade 30 gerückt
und der Hebel 72 zweiarmig ausgeführt wird.
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Die Übertragung der Bewegung des Leuchtbandes auf den Stellkolben
130 verläuft :iahernd linear, wenn die Leuchtdiodenkaskade 30 einen Kreisbogen großen
Durchmesserie bildet und sich das Schwenklager 71 in deren Symmetrieachse befindet.
Bei vielen Stellgliedern - besonders bei Ventilen - ist aber eine strenge Linearität
unerwünscht; mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich dementsprechend
relativ viele Arten von Ventilkennlinien realisieren. Insbesondere ist es in vorteilhafter
Weise möglich, dem gleichen Regelsignal, beispielsweise einer Temperaturdifferenz,
am Schließpunkt des Ventils der zugehörigen Ventilstange einen wesentlich kleineren
Hub einzuprägen als im übrigen Arbeitsbereich; man kommt dabei demzufolge mit einfachen
Ventilkegeln aus, die ihrerseits keinen Einfluß auf die Kennlinie des Ventils haben
müssen. Man kann zu diesem Zweck etwa das Schwenklager 71 aus der Symmetrieachse
der Leuchtdiodenkaskade 30 herausnehmen, dafür sorgen, daß der Lagerpunkt des Hebels
72 bei dessen Verschwenkung selbst eine Schwenkbewegung ausführt oder, wie bereits
angegeben, die Ansteuerschaltung 4 kaskadieren oder die Abstände der Leuchtdioden
31 variieren.
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