DE3407796C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Mischen zweier Fluide mit einem elektronisch angesteuerten Mischventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkma­ len.

Bekannte Mischeinrichtungen dieser Gattung (CH-PS 4 51 626, DE-OS 23 23 841, DE 30 30 716 A1) sind meist zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser aus Kalt- und Warmwasser einge­ setzt. Hierbei wird dem Mischventil durch getrennte Zulauf­ leitungen Kaltwasser der Temperatur T_K mit dem Vorlaufdruck P_K sowie Warmwasser der Temperatur T_W und dem Vorlaufdruck P_W zugeführt. Mit Hilfe einer elektronischen Ansteuerung wird das Mischventil so betätigt, daß aus dem Auslauf Mischwasser der vorgewählten Temperatur T_M strömt. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch gleicherma­ ßen 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 gewünschten Temperatur einen anderen bestimmten ge­ wünschten "Parameter" aufweist, beispielsweise einen bestimmten pH-Wert oder eine bestimmte Konzentration irgendeiner chemi­ schen Substanz. Entscheidend ist jedoch, daß der Wert des in­ teressierenden "Parameters" des Mischfluides aus den entspre­ chenden Parameterwerten der Vorlauffluide sich analog zu der Beziehung

T_M=(T_KQ_K+T_WQ_W)/(Q_K+Q_W)

ergibt, die für den Fall der Bereitung von Mischwasser mit der vorgewählten Tempe­ ratur T_M aus den Vorlaufvolumenströmen Q_K und Q_W mit den Vor­ lauftemperaturen T_K und T_W gilt.

Aus der sanitärtechnischen Praxis ist von derzeit verfügbaren Mischwasserbereitungssystemen der Nachteil bekannt, daß plötz­ liche Schwankungen der Drücke in den Vorlaufleitungen die Mischtemperatur zumindest anfänglich beeinflussen. Insbeson­ dere steigt die Mischtemperatur bei einem plötzlichen Druck­ abfall in der Kaltwasservorlaufleitung, der z. B. dann auf­ tritt, wenn ein parallel geschalteter Verbraucher plötzlich größere Mengen von Kaltwasser entnimmt (Druckspülung eines WCs etc.). Dies ist insbesondere dann unangenehm, wenn be­ reits eine hohe Mischwassertemperatur eingestellt ist (Ver­ brühungsgefahr). Diese nachteilige Veränderung der Mischtem­ peratur bei einer Veränderung der Vorlaufdrücke kann zwar durch Einsatz eines Reglers gemildert werden, der dafür sorgt, daß in Abhängigkeit von der gemessenen Mischtemperatur T_M das Mischventil so angesteuert wird, daß die Mischtemperatur T_M 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 der­ artiger Regler kann aber nicht verhindern, daß sich bei einer Änderung der Vorlaufdrücke anfänglich eine Ab­ weichung der Mischtemperatur vom vorgewählten Wert ein­ stellt. In entsprechender Weise wirken sich Schwankungen der Vorlauftemperaturen in Mischwasserbereitungssystemen ohne bzw. mit Temperaturregelung in dauernden bzw. an­ fänglichen Abweichungen der Mischtemperatur vom vorge­ wählten Wert aus.

Eine derartige Verringerung des Einflusses der genannten Störgrößen "Schwankungen der Vorlaufdrücke" und "Schwan­ kungen der Vorlauftemperaturen" ist dann von Interesse, wenn in einem Mischwasserbereitungssystem eine besonders hohe Regelgüte verlangt wird (Laborthermostate für in­ dustriellen Einsatz). Eine Verringerung des Einflusses der genannten Störgrößen ist aber auch für solche Misch­ wasserbereitungssysteme von besonderem Interesse, bei denen starke Schwankungen der Entnahmemenge vorliegen. In derartigen Anordnungen ist nämlich der störende Ein­ fluß von Schwankungen der Vorlaufdrücke bekanntlich um so stärker, je größer die Schwankungen der Entnahmemenge sind. Mischwasserbereitungssysteme mit großen Schwankun­ gen der Entnahmemenge kommen beispielsweise als Zentral­ thermostate zur Anwendung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung zu schaffen, mit der die Mischfehler, die durch Schwankungen der Vorlaufdrücke sowie durch Schwankungen des interessierenden Parameters der Vorlauffluide auftre­ ten, stark verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen 2 bis 9 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Mischventil zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser in schema­ tischer Darstellung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Mischven­ tils gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Mischven­ tils gemäß Fig. 2 mit einem Stör­ größenkompensator;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ersten Übertragungsgliedes;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines zweiten Übertragungsgliedes;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Stör­ größenkompensators.

Das Ausführungsbeispiel geht von elektronisch angesteu­ erten Mischventilen 1 zur Erzeugung von temperiertem Mischwasser aus, die die in Fig. 2 dargestellte Struk­ tur haben. Ein mit q_SOLL bezeichnetes Eingangssignal 4 wirkt auf ein Stellglied 6, das das mechanisch bewegliche Verschlußstück eines mechanischen Ventils 7 in eine be­ stimmte Position q bringt. Als Stellglied kann z. B. ein Gleichstrom-Getriebemotor mit einem unterlagerten Regel­ kreis verwendet werden, in dem die Position q gemessen und als Regelgröße zurückgeführt wird, oder aber es kann als Stellglied ein handelsüblicher Schrittmotor verwen­ det werden. Am Ausgang des mechanischen Ventils 7 stellt sich eine Mischtemperatur T_M ein, die einerseits von der Position q, andererseits aber von den Vorlauftemperturen T_K und T_W sowie vom Druckverhältnis P_K : P_W abhängig ist. Das elektrisch angesteuerte Ventil ist so ausgelegt, daß bei symmetrischen Vorlaufdrücken (P_K : P_W=1) ein annä­ hernd linearer (proportionaler) Zusammenhang zwischen der Ansteuergröße q_SOLL und der resultierenden Misch­ temperatur T_M besteht. Am einfachsten kann dies dadurch realisiert werden, daß ein mechanisches Ventil 7 ver­ wendet wird, das bei symmetrischen Vorlaufdrücken einen proportionalen Zusammenhang zwischen den Größen q und T_M herstellt. In den nachfolgenden Ausführungen wird zur Vereinfachung der Darstellung zunächst ein derartiges linear arbeitendes mechanisches Ventil unterstellt, ob­ wohl dies keine zwingende Voraussetzung ist. Die Stör­ größen "Schwankungen der Vorlauftemperaturen" und "Schwan­ kungen der Vorlaufdrücke" lassen sich gemäß Fig. 2 in der Weise interpretieren, daß der funktionale Zusammen­ hang zwischen der Eingangsgröße q_SOLL und der Ausgangs­ größe T_M des elektronisch angesteuerten Ventils von den Größen T_K, T_W und P_K : P_W abhängig ist. Insbesondere wird der funktionale Zusammenhang nichtlinear, falls das Ver­ hältnis der Vorlaufdrücke unsymmetrisch wird. Aber auch bei symmetrischen Vorlaufdrücken hängt der in diesem Fall proportionale Zusammenhang zwischen den Größen q_SOLL und T_M von den Vorlauftemperaturen derart ab, daß der zuge­ hörige Proportionalitätsfaktor von den Vorlauftemperaturen abhängig ist.

Zur Eliminierung bzw. Reduzierung der störenden Einflüsse der genannten Störgrößen T_K, T_W und P_K : P_W ist dem elektronisch angesteuerten Mischventil 1 ein spezieller Störgrößenkompen­ sator 8 mit den Eingangsgrößen T_K, T_W, T_M, q sowie T′_{M SOLL} vorgeschaltet. Er sorgt dafür, daß zwischen der elektronischen Eingangsgröße T′_{M, SOLL} des Störgrößenkompensators 8 und der resultierenden Mischtemperatur T_M stets derselbe lineare Zu­ sammenhang besteht, gleichgültig, welche Werte die Größen T_K, T_W und P_K : P_W annehmen. Es ist zu beachten, daß das Wirkungs­ prinzip des vorliegenden Störgrößenkompensators nicht darin besteht, daß die inverse, d. h. kompensierende Nichtlinearität aus den Meßgrößen T_K, T_W und P_K : P_W gebildet wird. Ein derar­ tiger Störgrößenkompensator wäre nämlich, verglichen mit dem vorliegenden, wesentlich kostspieliger, da die Messung des Druckverhältnisses P_K : P_W, verglichen mit einer Temperaturmes­ sung, sehr aufwendig ist. Wesentlich ist also, daß die ge­ wünschte Temperaturkompensation hier ohne Messung des Druck­ verhältnisses P_K : P_W erreicht wird. Dem Störgrößenkompensator 8 werden als Meßgrößen nur die Vorlauftemperaturen T_K und T_W, die Mischtemperatur T_M sowie die Ventilposition q zugeführt, d. h. der Störgrößenkompensator kommt ohne die aufwendige Mes­ sung des Druckverhältnisses aus. Ebenso ist zu beachten, daß das Wirkungsprinzip des vorliegenden Störgrößenkompensators nicht, wie in DE 30 30 716 A1 im Beschreibungsteil auf Seite 9 vorgeschlagen, darauf basiert, daß aus den gemessenen Durch­ flußmengen Q_K und Q_W auf das Druckverhältnis geschlossen wird und dadurch zur Störgrößenkompensation ausgenutzt wird. Das hier beschriebene Wirkungsprinzip kommt vielmehr ohne die aufwendige Messung der Durchflußmengen aus.

Die Möglichkeit zum Verzicht auf eine Messung des Druckver­ hältnisses ergibt sich daraus, daß sich bei Verwendung eines mechanischen Ventils 7 mit linearem Zusammenhang zwischen den Größen q und T_M im Falle eines symmetrischen Druckverhältnis­ ses der Wert des Druckverhältnisses (bei voller Auslaufmenge des Ventils) durch das in Fig. 4 dargestellte Übertragungs­ glied 9 bestimmen läßt. Darin ist die Größe q, die die Ventil­ position darstellt, so normiert, daß der Wert q=0 der Situa­ tion entspricht, daß die Mischtemperatur T_M den Wert T_W hat, während im Falle q=1 die Mischtemperatur T_M den Wert T_K hat. Für die technischer Realisierung ist der in Fig. 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 Fig. 4 dargestellte Funktions­ zusammenhang nur angewendet wird, solange die Misch­ temperatur T_M einen gewissen "Sicherheitsabstand" (z. B. 2°C) von den Meßwerten T_K und T_W hat und solange die Meßgröße q einen gewissen "Sicherheitsabstand" (z. B. q=0,1) von den Grenzwerten q=0 und q=1 aufweist. Ist eine dieser beiden Bedienungen oder sind beide ver­ letzt, so wird der Wert von α auf dem zuletzt bestimmten Wert festgehalten.

Der erfindungsgemäße Störgrößenkompensator entsteht durch Verbindung der Ausgangsgröße α des Übertragungs­ gliedes 9 mit dem in Fig. 5 dargestellten Übertragungs­ glied 10. Dieses Übertragungsglied 10 besitzt als Ein­ gangsgrößen außer der Größe α die Größen T′_{M, SOLL} sowie die Größen T_K und T_W. Die Ausgangsgröße des Übertragungs­ gliedes 10 ist q_SOLL. Analog zum Übertragungsglied 9 werden im Übertragungsglied 10 mögliche Singularitäten dadurch vermieden, daß der in Fig. 5 gezeigte Funktions­ zusammenhang nur dann angewendet wird, solange die Werte T_K bzw. T_W gewisse Sicherheitsabstände D von dem Wert T_M aufweisen, während, sofern diese Sicherheitsabstände nicht gegeben sind, zur Berechnung der Größe q_SOLL der formelmäßige Zusammenhang gemäß Fig. 5 unter Ersetzung der Werte T_K und T_W durch die Werte T_M-D und T_M+D ver­ wendet wird.

Schaltet man dieses Übertragungsglied 10 gemäß Fig. 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 Stör­ größenkompensation erreicht wird.

Die bisherige Darstellung ging davon aus, daß dem er­ findungsgemäßen Störgrößenkompensator gemäß Fig. 3 die Momentanwerte der Meßgrößen T_K, T_W, T_M und q zur Ver­ fügung gestellt werden. In der Praxis sind jedoch ins­ besondere 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 T_K, T_W, T_M und q mit der glei­ chen Zeitkonstanten behaftet sind. Daher werden in einer technischen Realisierung die Meßgrößen T_K, T_W, T_M und q vor Einleitung in den Störgrößenkompensator 8 zunächst durch lineare Übertragungsglieder bzw. Zeitverzögerungs­ glieder 11 mit Übertragungsfunktionen 1/(1+τ_is) zeit­ lich so verzögert, daß sich für jede einzelne Größe un­ ter Berücksichtigung sowohl der Zeitkonstanten der zu­ gehörigen Meßglieder als auch der künstlich eingeführten Zeitverzögerungen τ_i gerade als gesamte effektive Zeit­ verzögerung diejenige des langsamsten Meßgliedes er­ gibt.

Aufgrund der Zeitkonstanten, mit denen die Größen T_K, T_W, T_M und q behaftet sind, entstehen bei der Berechnung der Größe α Fehler. Die hierdurch entstehenden Abweichungen von der idealen Kompensation lassen sich reduzieren durch Einfügung eines Zeitverzögerungsgliedes 12 mit der Über­ tragungsfunktion 1/(1+τ_s) zwischen dem Ausgang des Über­ tragungsgliedes 9 und dem Eingang des Übertragungsgliedes 10.

Die Gesamtstruktur des Störgrößenkompensators 8 ist in Fig. 6 dargestellt.

Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß sich mit einem Störgrößenkompensator 8 der in Fig. 6 dargestell­ ten Art eine bedeutende Reduktion des Einflusses der genannten Störgrößen T_K, T_W und P_K : P_W erreichen läßt. Insbesondere läßt sich in geregelten Mischwasserberei­ tungssystemen mit starken Schwankungen der Entnahmemenge (wie z. B. bei zentralen Mischwasserbereitungssystemen) durch Einfügung eines derartigen Störgrößenkompensators 8 die Regelgüte stark verbessern.

Claims (9)

1. Elektronisch angesteuertes Mischventil, bestehend aus we­ nigstens einem Stellglied und einem mechanischen Ventil mit linearer (proportionaler) oder näherungsweise linea­ rer Ventilcharakteristik, zur Mischung von zwei Fluiden zur Bereitung eines Mischfluides, insbesondere Kalt- und Warmwasser zu temperiertem Mischwasser, mit einem vorge­ wählten Wert für einen interessierenden Parameter (z. B. der Temperatur) des Mischfluides, wobei dieser Parameter aus den entspre­ chenden Parameterwerten der Vorlauffluide unter Berück­ sichtigung der Mengenströme in der gleichen Weise alge­ braisch berechenbar ist wie in dem Fall, daß der interes­ sierende Parameter die Temperatur darstellt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem elektronisch angesteuerten Misch­ ventil (1) ein Störgrößenkompensator (8) zur Kompensation von Schwankungen der Parameterwerte T_W, T_K der Vorlauffluide und Schwankungen des Druckverhältnisses (P_K : P_W) der Vorlauf­ fluide vorgeschaltet ist, wobei der Störgrößenkompensator aus zwei Übertragungsgliedern (9, 10) besteht und das er­ ste Übertragungsglied (9) aus den als Meßwerte zugeleite­ ten Eingangsgrößen des interessierenden Parameters T_K und T_W der Vorlauffluide, T_M des Mischfluides sowie der Posi­ tion q des Verschlußstückes des mechanischen Ventils (7) eine Ausgangsgröße erzeugt und das zweite Übertragungsglied (10) aus den Ein­ gangsgrößen T_K, T_W sowie dem Sollwert T′_{M, SOLL} des inter­ essierenden Parameters des Mischfluides eine Ausgangsgröße für die Position des Verschlußstückes erzeugt, so daß also 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 Posi­ tion des relevanten Verschlußstückes des mechanischen Ventils (7) und der Wert des interessierenden Parameters des Mischfluides zugeführt ist.

2. Mischventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Singularitäten das erste Übertragungs­ glied (9) in der Weise modifiziert ist, daß der in An­ spruch 1 genannte formelmäßige Zusammenhang nur angewen­ det ist, solange der gemessene Wert T_M des Mischfluides einen gewissen Sicherheitsabstand von den Meßwerten T_W und T_K aufweist und solange der gemessene Wert für die Größe q einen gewissen Sicherheitsabstand von den Grenz­ werten aufweist, die der Situation entsprechen, daß je­ weils 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 Übertragungsglieds (10) ebenfalls nur dann ange­ wendet ist, solange die Werte T_K bzw. T_W gewisse Sicher­ heitsabstände D von dem Wert T_M aufweisen, während, so­ fern diese Sicherheitsabstände nicht gegeben sind, zur Berechnung der Größe q_SOLL der formelmäßige Zusammenhang unter Ersetzung der Werte T_K und T_W durch die Werte T_M-D bzw. T_M+D verwendet ist.

3. Mischventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den beiden Übertragungsglie­ dern (9, 10) zugeführten Meßgrößen T_K, T_W, T_M und q vor Einleitung in die Übertragungsglieder (9, 10) durch nachgeschaltete Verzögerungsglieder (11) zeit­ lich so verzögert werden, daß die an den beiden Übertragungsgliedern (9, 10) ankommenden Signale unter Berücksichtigung der Zeitkonstanten der Meß­ glieder zeitlich sämtlich in gleicher Weise verzö­ gert sind, und zwar vorzugsweise um den kleinstmög­ lichen Betrag, der sich aus der Zeitkonstanten des langsamsten Meßgliedes ergibt.

4. Mischventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße α des ersten Übertragungsglie­ des (9) vor Einleitung in das zweite Übertragungs­ glied (10) durch ein Verzögerungsglied (11) 1. Ord­ nung mit einstellbarer Zeitkonstante τ geschickt ist.

5. Mischventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Störgrößenkompensator (8) auch in Verbindung mit mechanischen Ventilen anwend­ bar ist, die bei symmetrischen Druckverhältnissen eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, und zwar da­ durch, daß dem mechanischen Ventil zunächst ein elektronisches Kennlinienglied vorgeschaltet ist, das diese Kennlinie linearisiert.

6. Mischventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Fluiden, die zur Mischung gelangen, um Wasser handelt.

7. Mischventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischfluid, das im Misch­ ventil bereitet wird, eine bestimmte vorgewählte Temperatur haben soll.

8. Mischventil nach einem der Ansprüche 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. Mischventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Störgrößenkompensator (8) in einem System eingesetzt ist, das über einen über­ lagerten Regler verfügt, dessen Aufgabe es ist, die verbleibenden Restabweichungen des Wertes des in­ teressierenden Parameters (z. B. der Mischtemperatur) vom vorgegebenen Sollwert auszuregeln, wobei die auszuregelnden Restabweichungen bedingt sind durch unvollständige Kompensation.