DE3407796A1 - Elektronisch betriebene ventileinrichtung zur mischung von fluiden - Google Patents

Description

• Elektronisch betriebene Ventileinrichtung
• zur Mischung von Fluiden Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Mischen zweier Fluide mit einem elektronisch angesteuerten Mischventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
• Bekannte Mischeinrichtungen dieser Gattung sind meist zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser aus Kalt- und Warmwasser eingesetzt. Hierbei wird dem Mischventil durch getrennte Zulaufleitungen Kaltwasser der Temperatur TK mit dem Vorlaufdruck PK sowie Warmwasser der TemperaturTw und dem Vorlaufdruck PW zugeführt. Mit Hilfe einer elektronischen Ansteuerung wird das Mischventil so betätigt, daß aus dem Auslauf Mischwasser der vor gewählten Temperatur TM strömt. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch gleichermaßen Einrichtungen zum Mischen anderer Fluide als Wasser sowie Einrichtungen, bei denen es darauf ankommt, ein Fluid aus zwei Komponenten so zu mischen, daß das Mischfluid anstelle einer bestimmten gewunschten Temperatur einen anderen bestimmten gewünschten "Parameter" aufweist, beispielsweise einen bestimmten pH-Wert oder eine bestimmte Konzentration irgendeiner chemischen Substanz. Entscheidend ist jedoch, daß der Wert des interessierenden "Parameters" des Mischfluides aus den entsprechenden Parameterwerten der Vorlauf fluide sich analog zu der Beziehung TM = (T zu K + TWQW)/(QK + QW) ergibt, die für den Fall der Bereitung von Mischwasser mit der vorgewählten Temperatur TM aus den Vorlaufvolumenströmen QK und QW mit den Vorlauftemperaturen TK und TW gilt.
• Die bekannten Mischwasserbereitungssysteme weisen den Nachteil auf, daß plötzliche Schwankungen der Drücke in den Vorlaufleitungen sich stets so auswirken, daß die Mischtemperatur zumindest anfänglich beeinflußt wird.
• Insbesondere steigt die Mischtemperatur bei einem plötzlichen Druckabfall in der Kaltwasservorlaufleitung, der z.B. dann auftritt, wenn ein parallel geschalteter Verbraucher plötzlich größere Mengen von Kaltwasser entnimmt (DruckspUlung eines WCs etc.). Dies ist insbesondere dann unangenehm, wenn bereits eine hohe Mischwassertemperatur eingestellt ist (Verbrühungsgefahr). Diese nachteilige Veränderung der Mischtemperatur bei einer Veränderung der Vorlaufdrücke kann zwar durch Einsatz eines Reglers gemildert werden, der dafür sorgt, daß in Abhängigkeit von der gemessenen Mischtemperatur TM das Mischventil so angesteuert wird, daß die Mischtemperatur TM wieder auf den vorgewählten Wert zurückgeführt wird. Eine derartige Regelung kann aber in jedem Falle nur dann eingreifen, wenn zunächst eine Abweichung der Mischtemperatur von dem vorgewählten Wert aufgetreten ist. Mit anderen Worten: die Einführung eines derartigen Reglers in ein Mischwasserbereitungssystem kann zwar dafür sorgen, daß bei einer plötzlichen Änderung der Vorlaufdrücke nach einer gewissen Zeit der vorgewählte Wert der Mischtemperatur wieder erreicht wird. Ein derartiger Regler kann aber nicht verhindern, daß sich bei einer Änderung der Vorlaufdrücke anfänglich eine Abweichung der Mischtemperatur vom vorgewählten Wert einstellt. In entsprechender Weise wirken sich Schwankungen der Vorlauftemperaturen in Mischwasserbereitungssystemen ohne bzw. mit Temperaturregelung in dauernden bzw. anfänglichen Abweichungen der Mischtemperatur vom vorgewählten Wert aus.
• Eine derartige Verringerung des Einflusses der genannten Störgrößen 'ZSchwankungen der Vorlaufdrücke" und"Schwankungen der Vorlauftemperaturen" ist dann von Interesse, wenn in einem Mischwasserbereitungssystem eine besonders hohe Regelgüte verlangt wird (Laborthermostate für industriellen Einsatz). Eine Verringerung des Einflusses der genannten Störgrößen ist aber auch für solche Mischwasserbereitungssysteme von besonderem Interesse, bei denen starke Schwankungen der Entnahmemenge vorliegen.
• In derartigen Anordnungen ist nämlich der störende Einfluß von Schwankungen der Vorlaufdrücke bekanntlich um so stärker, je größer die Schwankungen der Entnahmemenge sind. Mischwasserbereitungssysteme mit großen Schwankungen der Entnahmemenge kommen beispielsweise als Zentralthermostate zur Anwendung.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Mischfehler, die durch Schwankungen der Vorlaufdrücke sowie durch Schwankungen des interessierenden Parameters der Vorlauffluide auftreten, stark verringert werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt Figur 1 ein Mischventil zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser in schematische Darstellung; Figur 2 ein Blockschaltbild des Mischventils gemäß Figur 1; Figur 3 ein Blockschaltbild des Mischventils gemäß Figur 2 mit einem Störgrößenkompensator; Figur 4 ein Blockschaltbild eines ersten Ubertragungsgliedes; Figur 5 ein Blockschaltbild eines zweiten Übertragungsgliedes; Figur 6 ein Blockschaltbild eines Störgrößenkompensators.
• Das Ausführungsbeispiel geht von elektronisch angesteuerten Mischventilen 1 zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser aus, die die in Figur 2 dargestellte Struktur haben. Ein mit SOLL bezeichnetes Eingangssignal 4 wirkt auf ein Stellglied 6, das das mechanisch bewegliche Verschlußstück eines mechanischen Ventils 7 in eine bestimmte Position q bringt. Als Stellglied kann z.B. ein Gleichstrom-Getriebemotor mit einem unterlagerten Regelkreis verwendet werden, in dem die Position q gemessen und als Regelgröße zurückgeführt wird, oder aber es kann als Stellglied ein handelsüblicher Schrittmotor verwendet werden. Am Ausgang des mechanischen Ventils 7 stellt sich eine Mischtemperatur TM ein, die einerseits von der Position q, andererseits aber von den Vorlauftemperaturen TK und TW sowie vom Druckverhältnis PK:PW abhängig ist.
• Das elektrisch angesteuerte Ventil ist so ausgelegt, daß bei symmetrischen Vorlaufdrücken (PK:PW - 1) ein annähernd linearer (proportionaler) Zusammenhang zwischen der Ansteuergröße qsoLL und der resultierenden Mischtemperatur TM besteht. Am einfachsten kann dies dadurch realisiert werden, daß ein mechanisches Ventil 7 verwendet wird, das bei symmetrischen Vorlaufdrücken einen proportionalen Zusammenhang zwischen den Größen q und TM herstellt. In den nachfolgenden Ausführungen wird zur Vereinfachung der Darstellung zunächst ein derartiges linear arbeitendes mechanisches Ventil unterstellt, obwohl dies keine zwingende Voraussetzung ist. Die Störgrößen "Schwankungen der Vorlauftemperaturen" und "Schwankungen der Vorlaufdrücke" lassen sich gemäß Figur 2 in der Weise interpretieren, daß der funktionale Zusammenhang zwischen der Eingangsgröße 9SOLL und der Ausgangsgröße TM des elektronisch angesteuerten Ventils von den Größen TK, TW und PK:PW abhängig ist. Insbesondere wird der funktionale Zusammenhang nichtlinear, falls das Verhältnis der Vorlaufdrücke unsymmetrisch wird. Aber auch bei symmetrischen Vorlaufdrücken hängt der in diesem Fall proportionale Zusammenhang zwischen den Größen SOLL und TM von den Vorlauftemperaturen derart ab, daß der zugehörige Proportionalitätsfaktor von den Vorlauftemperaturen abhängig ist.
• Zur Eliminierung bzw. Reduzierung der störenden Einflüsse der genannten Störgrößen TK, TW und PK:PW ist dem elektronisch angesteuerten Mischventil 1 ein spezieller Störgrößenkompensator 8 mit den Eingangsgrößen TK, TW, TN, q sowie T' SOLL vorgeschaltet. Er sorgt dafür, daß zwi-M,S0LL schen der elektronischen Eingangsgröße TM',SOLL des Störgrößenkompensators 8 und der resultierenden Mischteiperatur TM stets derselbe lineare Zusammenhang besteht, gleichgültig, welche Werte die Größen TK, TW und annehmen. Es ist zu beachten, daß das Wirkungsprinzip des vorliegenden Störgrößenkompensators nicht darin besteht, daß die inverse, d.h. kompensierende Nichtlinearität aus den Meßgrößen TK, TW und Po: PW gebildet wird. Ein derartiger Störgrößenkompensator wäre nämlich, verglichen mit dem vorliegenden, wesentlich kostspieliger, da die Messung des Druckverhältnisses PR:PW, verglichen mit einer Temperaturmessung, sehr aufwendig ist. Wesentlich ist also, daß die gewünschte Temperaturkompensation hier ohne Messung des DruckverhältnissesPK:P erreicht wird. Dem Störgrößenkompensator 8 werden als Meßgrößen nur die Vorlauftemperaturen TK undTw, die Mischtemperatur TM sowie die Ventilposition q zugeführt, d.h. der Störgrößenkompensator kommt ohne die aufwendige Messung des Druckverhältnisses aus.
• Die Möglichkeit zum Verzicht auf eine Messung des Druckverhältnisses ergibt sich daraus, daß sich bei Verwendung eines mechanischen Ventils 7 mit linearem Zusammenhang zwischen den Größen q und TM im Falle eines symmetrischen Druckverhältnisses der Wert des Druckverhältnisses (bei voller Auslaufmenge des Ventils) durch das in Figur 4 dargestellte Übertragungsglied 9 bestimmen läßt. Darin ist die Größe q, die die Ventilposition darstellt, so normiert, daß der Wert q = 0 der Situation entspricht, daß die Mischtemperatur TM den Wert Tw hat, während im Falle q = 1 die Mischtemperatur TM den Wert TK hat. Für die technische Realisierung ist der in Figur 4 darge- stellte Funktionszusammenhang noch so zu modifizieren, daß Meßfehler der Eingangsgröße nicht zu unangenehmen Singularitäten führen können. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der in Figur 4 dargestellte Funktionszusammenhang nur angewendet wird, solange die Mischtemperatur TM einen gewissen "Sicherheitsabstand" (z.B.
• 20 C) von den Meßwerten TK und TW hat und solange die Meßgröße q einen gewissen "Sicherhe itsabstand" (z.B.
• q - 0,1) von den Grenzwerten q - 0 und q = 1 aufweist.
• Ist eine dieser beiden Bedingungen oder sind beide verletzt, so wird der Wert von ot auf dem zuletzt bestimmten Wert festgehalten.
• Der erfindungsgemäße Störgrößenkompensator entsteht durch Verbindung der Ausgangsgröße X des Ubertragungsgliedes 9 mit dem in Figur 5 dargestellten Übertragungsglied 10. Dieses Übertragungsglied 10 besitzt als Eingangsgrößen außer der Größe CL die Größen TM',50IL sowie die Größen TK und T. Die Ausgangsgröße des Übertragungsgliedes 10 ist qSOLL. Analog zum ttbert ragungsgl ied 9 werden im Übertragungsglied 10 mögliche Singularitäten dadurch vermieden, daß der in Figur 5 gezeigte Funktionszusammenhang nur dann angewendet wird, solange die Werte TR bzw. TW gewisse Sicherheitsabstände D von dem Wert TM aufweisen, während, sofern diese Sicherheitsabstände nicht gegeben sind, zur Berechnung der Größe qSOLL der formelmäßige Zusammenhang gemäß Figur 5 unter Ersetzung der Werte TK und TW durch die Werte T-D und TM+D verwendet wird.
• Schaltet man dieses Übertragungsglied 10 gemäß Figur 3 vor das elektronisch gesteuerte Mischventil 1, so läßt sich zeigen, daß auf diese Weise bei Verwendung eines linear arbeitenden mechanischen Ventils 7 bei voller Auslaufmenge eine vollständige Störgrößenkompensation und bei reduzierter Entnahmemenge eine teilweise Störgrößenkompensation erreicht wird.
• Die bisherige Darstellung ging davon aus, daß dem erfindungsgemäßen Störgrößenkompensator gemäß Figur 3 die Momentanwerte der Meßgrößen TK, TW, TM und q zur Verfügung gestellt werden. In der Praxis sind jedoch insbesondere die Temperaturmessungen mit einer mehr oder minder großen Zeitkonstante behaftet. Hierdurch treten Einbußen in der Qualität der Störgrößenkompensation auf.
• Es läßt sich zeigen, daß diese Einbußen dann minimal sind, wenn sämtliche Meßgrößen TK, Tw, TM und q mit der gleichen Zeitkonstanten behaftet sind. Daher werden in einer technischen Realisierung die Meßgrößen TK, Tw, TM und q vor Einleitung in den Störgrößenkompensator 8 zunächst durch lineare Übertragungsglieder bzw. Zeitverzögerungsglieder 11 mit Übertragungsfunktionen 1/(l+Tis) zeitlich so verzögert, daß sich für jede einzelne Größe unter Berücksichtigung sowohl der Zeitkonstanten der zugehörigen Meßglieder als auch der künstlich eingeführten Ze it verzöger unge n gerade als gesamte effektive Zeitverzögerung diejenige des langsamsten Meßgliedes ergibt.
• Aufgrund der Zeitkonstanten, mit denen die Größen TK, Tw, TM und q behaftet sind, entstehen bei der Berechnung der Größe a. Fehler. Die hierdurch entstehenden Abweichungen von der idealen Kompensation lassen sich reduzieren durch Einfügung eines Zeitverzögerungsgliedes 12 mit der Übertragungsfunktion l/(l+rS) zwischen dem Ausgang des Übertragungsgliedes 9 und dem Eingang des Übertragungsgliedes 10.
• Die Gesamtstruktur des Störgrößenkompensators 8 ist in Figur 6 dargestellt.
• Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß sich mit einem Störgrößenkompensator 8 der in Figur 6 dargestellten Art eine bedeutende Reduktion des Einflusses der genannten Störgrößen TK, TW und PK:PW erreichen läßt.
• Insbesondere läßt sich in geregelten Mischwasserbereitungssystemen mit starken Schwankungen der Entnahmemenge (wie z.B. bei zentralen Mischwasserbereitungssystemen) durch Einfügung eines derartigen Störgrößenkompensators 8 die Regelgüte stark verbessern.
• - Leerseite -

Claims (9)

1. PATE NTA NS PR Üc HE 1. Elektronisch angesteuertes Mischventil, bestehend aus wenigstens einem Stellglied und einem mechanischen Ventil, zur Mischung von zwei Fluiden zur Bereitung eines Mischfluides, insbesondere Kalt- und Warmwasser zu temperiertem Mischwasser, mit einem vorgewählten Wert für einen Parameter (z.B. derTemperatur) des Mischfluides, wobei dieser Parameter aus den entsprechenden Parameterwerten der Vorlauffluide unter Berücksichtigung der Mengenströme in der gleichen Weise algebraisch beberechenbar ist wie in dem Fall, daß der interessierende Parameter die Temperatur darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß vor das elektronisch angesteuerte Mischventil (1)ein Störgrößenkompensator (8) zur Kompensation von Schwankungen der Parameterwerte der Vorlauffluide und Schwankungen des Druckverhältnisses (PK:PW) der Vorlauffluide vorgeschaltet ist, wobei dem Störgrößenkompensator (8) außer den Parameterwerten der Vorlauffluide nicht auch der Wert des meßtechnisch schwer erfaßbaren Druckverhältnisses der Vorlauffluide, sondern statt dessen der Wert q der Position des relevanten Verschlußstückes des mechanischen Ventils (7) und der Wert des interessierenden Parameters des Mischfluides zugeführt ist.
2. 2. Mischventil nach Anspruch 1 mit einem linear (proportional) arbeitenden mechanischen Ventil, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übertragungsglieder (9,10) vor das Mischventil (1) geschaltet sind und das erste Ubertragungsglied (9) aus den als Meßwerte zugeleiteten Eingangsgrößen des interessierenden Parameters der Vorlauffluide TK und TW und des Mischfluides TM sowie der Position q des mechanischen Ventils (7) eine Ausgangsgröße erzeugt und das zweite Bbertragungsglied (10) aus den Eingangsgrößen TK, Tw sowie dem Sollwert s0LLdes interessierenden Parameters des Mischfluids eine Ausaannsgröße %oLL - Tw - ,SOLL TM',SOLL (6 -1> ) K + Tw erzeugt, wobei zur Vermeidung von Singularitäten das erste Übertragungsglied (9) in der Weise modifiziert ist, daß der formelmäßige Zusammenhang nur angewendet ist, solange der gemessene Wert der Mischtemperatur einen gewissen Sicherheitsabstand von den Meßwerten Tw und TK aufweist und solange der gemessene Wert für die Größe q einen gewissen Sicherheitsabstand von den Grenzwerten aufweist, die der Situation entsprechen, daß jeweils der eine oder andere Zulauf ganz geschlossen ist, während in den Fällen, in denen diese Sicherheitsabstände nicht gegeben sind, der Wert der Ausgangsgröße des ersten Übertragungsgliedes (9) auf dem zuletzt berechneten Wert festgehalten ist, und das zweite Übertragungsglied (10) so modifiziert ist, daß der formelmäßige Zusammenhang des zweiten Übertragungsgliedes (10) ebenfalls nur dann angewendet ist, solange die Werte TK bzw. TW gewisse Sicherheitsabstände D von dem Wert TM aufweisen, während, sofern diese Sicherheitsabstände nicht gegeben sind, zur Berechnung der Größe qSOLL der formelmäßige Zusammenhang unter Ersetzung der Werte TK und TW durch die Werte Tg-D bzw. TM+D verwendet ist.
3. 3. Mischventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Ubertragungsgliedern (9,10) zugeführten Meßgrößen TK, TW, TM und q vor Einleitung in die Übertragungsglieder (9,10) durch nachgeschaltete Verzögerungsglieder (11) zeitlich so verzögert werden, daß die an den beiden Ubertragungsgliedern (9,10) ankommenden Signale unter Berücksichtigung der Zeitkonstanten der Meßglieder zeitlich sämtlich in gleicher Weise verzögert sind, und zwar vorzugsweise um den kleinstmöglichen Betrag, der sich aus der Zeitkonstanten des langsamsten Meßgliedes ergibt.
4. 4. Mischventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße X des ersten Ubertragungsgliedes (9) vor Einleitung in das zweite Ubertragungsglied (10) durch ein Verzögerungsglied (11) 1. Ordnung mit einstellbarer Zeitkonstante r geschickt ist.
5. 5. Mischventil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Störgrößenkompensator (8) auch in Verbindung mit mechanischen Ventilen anwendbar ist, die bei symmetrischen Druckverhältnissen eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, und zwar dadurch, daß dem mechanischen Ventil zunächst ein elektronisches Kennlinienglied vorgeschaltet ist, das diese Kennlinie linearisiert.
6. 6. Mischventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Fluiden, die zur Mischung gelangen, um Wasser handelt.
7. 7. Mischventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischfluid, das im Mischventil bereitet wird, eine bestimmte vorgewählte Temperatur haben soll.
8. 8. Mischventil nach den Ansprechen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der Einflüsse der genannten Störgrößen ausschließlich durch den Störgrößenkompensator (8) und nicht noch zusätzlich durch einen überlagerten Regler herbeigeführt wird.
9. 9. Mischventil nach den Ansprechen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Störgrößenkompensator (8) in einem System eingesetzt ist, das über einen überlagerten Regler verfügt, dessen Aufgabe es ist, die verbleibenden Restabweichungen des Wertes des interessierenden Parameters (z.B. der Mischtemperatur) vom vorgegebenen Sollwert auszuregeln, wobei die auszuregelnden Restabweichungen bedingt sind durch unvollständige Kompensation.