DE3643519C2 - - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D23/00—Control of temperature
- G05D23/01—Control of temperature without auxiliary power
- G05D23/13—Control of temperature without auxiliary power by varying the mixing ratio of two fluids having different temperatures
- G05D23/1393—Control of temperature without auxiliary power by varying the mixing ratio of two fluids having different temperatures characterised by the use of electric means
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitung von
Mischwasser mit Kalt- und Warmwasserzuflüssen sowie einem
Proportional-Regler in der Ausführung eines Dehnstoffelements,
das in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aus
lenkbar ist und das mit einem Ventilverschlußglied verbunden
ist, das durch eine Stellbewegung die Eintrittsquerschnitte
für Kalt- und Warmwasser in einer Mischkammer gegensinnig
ändert, wobei die Position des Dehnstoffelements in der
Mischkammer über ein Stellglied veränderbar ist.
Derartige Mischwasserbereitungseinrichtungen sind aus den
Druckschriften DE-PS 24 33 354 und US-PS 45 70 848 bekannt.
Hierbei sind Dehnstoffelemente als mechanische Regler zur
Regelung der Mischwassertemperatur eingesetzt, deren Regel
charakteristik im wesentlichen die eines Proportional-Reglers
ist. Diese Regler haben den Vorzug, daß sie technisch
einfach zu realisieren sind, beispielsweise in Gestalt eines
Bimetall-, Wachs- oder Federbalgelementes. Nachteilig bei
diesen Reglern ist jedoch, daß sie wegen ihres ausschließ
lichen P-Verhaltens bekanntermaßen nicht in der Lage sind,
eine bleibende Regelabweichung vollständig zu beseitigen.
Dies wirkt sich bei Mischwasserbereitungssystemen insbesondere
dann störend aus, wenn mit Schwankungen des zuströmenden
Kalt- und Warmwassers bezüglich Druck und/oder Temperatur
zu rechnen ist. In diesen Fällen nämlich führt eine
Schwankung der Vorlaufdrücke bzw. eine Änderung der Vorlauftempe
raturen immer zu einer bleibenden Regelabweichung, die unter
Umständen auch sehr beträchtlich werden kann. Mit
schwankenden Vorlaufdrücken ist jedoch im allgemeinen zu rechnen,
weil meist mehrere Verbraucher an dem Netz hängen, dem das
kalte bzw. warme Vorlaufwasser entnommen wird. Ebenso sind
tageszeitlich und jahreszeitlich bedingte Schwankungen der
Vorlauftemperaturen unvermeidlich. Im übrigen kann auch die
Warmwasserbereitung selbst Anlaß zu Schwankungen der Vor
lauftemperaturen und -drücke sein, indem nämlich das Warm
wasser über einen Zweipunktregler nur unvollkommen genau
auf einer festen Vorlauftemperatur gehalten wird und nach
Einschaltung der Heizung des Warmwasserbereiters der Warmwasser
druck bis zu einem Maximalwert, der durch die Sicher
heitsarmatur des Warmwasserbereiters gegeben ist, steigen
kann.
Es ist auch bekannt, daß es mit Hilfe eines Proportional-
Integral-Reglers möglich ist, die erwähnten Nachteile des
P-Reglers hinsichtlich der bleibenden Regelabweichung zu
vermeiden: Der I-Anteil des PI-Reglers sorgt dafür, daß die
bleibende Regelabweichung vollständig verschwindet. Ande
rerseits ist aber die Realisierung eines PI-Reglers wesent
lich aufwendiger als die eines P-Reglers. Bekannt sind
Möglichkeiten zur pneumatischen bzw. hydrodynamischen Reali
sierung von PI-Reglern sowie auch Möglichkeiten zur elek
trischen Realisierung eines PI-Reglers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Oberbe
griff des Anspruchs 1 angegebene Regeleinrichtung mit
relativ einfachen Mitteln wesentlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich
nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An
sprüchen 2 und 3 angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die bekannten
Vorteile existierender mechanischer P-Regler, wie Zuverlässig
keit, Preiswürdigkeit und technisch einfache Realisierung,
bei der Markteinführung beibehalten werden. Es kann also
nach wie vor die "Grundlast" des Ausregelns von einem der
bekannten mechanischen P-Regler übernommen werden, da
durch die vorgeschlagene zusätzliche elektrische Regel
schleife die bleibende Regelabweichung des thermomechani
schen Reglers oder Dehnstoffelements reduziert wird. Die
zusätzliche elektrische Regelschleife kann dabei auch in
relativ einfacher Weise bei bereits installierten älteren
Mischwasserbereitungseinrichtungen nachträglich als Auf
satzregler addiert werden.
Bei Mischwasserbereitungssystemen ohne Rückführung des
Mischwassers wird die bleibende Regelabweichung, die bei
der Verwendung eines reinen P-Reglers bei Schwankungen der
Drücke und der Temperaturen des zufließenden Kalt- und
Warmwassers unvermeidlich ist, vollständig beseitigt. Dies
wirkt sich insbesondere günstig aus, wenn nur eine geringe
Entnahme stattfindet. Bei sehr schwacher Entnahme weisen
nämlich konventionelle Mischwasserbereitungssysteme, die
nur einen mechanischen P-Regler beinhalten, eine besonders
große Abweichung der resultierenden Mischwassertemperatur
vom gewünschten Sollwert auf.
Konventionelle zentrale Mischwasserbereitungssysteme mit
Zentralthermostat und Rückführung des Mischwassers sind so
ausgeführt, daß ein Teil des rückgeführten Mischwassers
dem Erhitzer und der andere Teil entweder der Mischkammer
oder dem Kaltwasservorlauf zugeführt werden. Untersuchungen
haben gezeigt, daß derartige Mischwasserbereitungs
systeme den prinzipiellen Nachteil aufweisen, daß im Falle
keiner Entnahme (reiner Zirkulationsbetrieb) sowie auch im
Falle sehr schwacher Entnahme die Regelcharakteristik des
Proportional-Reglers extrem ungünstig ist. Dies hängt
damit zusammen, daß die Wasserströme, die dem Regler zuge
führt werden, im Normalbetrieb einer mittleren bis starken
Entnahme sowie im reinen Zirkulationsbetrieb bzw. im Falle
sehr schwacher Entnahme stark unterschiedliche Temperaturen
aufweisen. Im Normalbetrieb werden dem Zentralthermo
staten Wasserströme mit den Temperaturen T K und T W , d. h.
mit den Vorlauftemperaturen des warmen und des kalten
Wassers zugeführt. Der Rückführstrom ist im Normalbetrieb
völlig unterbunden. Im reinen Zirkulationsbetrieb bzw. im
Falle sehr schwacher Entnahme werden dem Zentralthermostaten
im wesentlichen Wasserströme zugeführt, die die Tempe
raturen T W (Temperatur des Wasserstromes aus dem Erhitzer)
und T′ M (Temperatur des Mischwasserrückfürstromes: ent
spricht in etwa der gewünschten Mischwassertemperatur T M )
besitzen. Die Temperatur T′ M liegt aber deutlich höher als
T K . Der Zentralthermostat hat im reinen Zirkulationsbetrieb
bzw. im Falle der schwachen Entnahme eine außerordentlich
ungünstige Charakteristik. Bekannte Vorschläge zur Verringe
rung dieses Mangels führen nur zu einer gewissen Verbes
serung des Falles der reinen Zirkulation bzw. des Falles
der schwachen Entnahme, denn die bleibende Regelabweichung
kann bei keinem dieser Vorschläge vollständig beseitigt
werden. Insbesondere wird bei den Vorschlägen der Normal
betrieb überhaupt nicht verbessert. Mit der erfindungsge
mäßen Lösung wird demgegenüber sowohl der Normalbetrieb als
auch der Fall der reinen Zirkulation bzw. der Fall der
schwachen Entnahme verbessert. Eine grobe Abschätzung des
Realisierungsaufwandes für das vorgeschlagene Regelungskon
zept ergibt, daß der Aufwand größenordnungsmäßig im gleichen
Bereich liegt wie der der bekannten Lösungen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich
nung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Strukturbild einer Regelein
richtung;
Fig. 2 eine Mischeinrichtung in schemati
scher Darstellung;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Re
gelverhaltens einer Mischeinrichtung
ohne Hilfsregler;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Re
gelverhaltens einer Mischeinrichtung
mit Hilfsregler.
Die in den Figuren dargestellte Mischeinrichtung 1 ist
mit einem Ventilgehäuse 15 versehen, in dem ein Kaltwas
serzulauf 2, ein Warmwasserzulauf 3, ein Mischwasserab
lauf 4 und eine Mischkammer 13 ausgebildet sind. In der
Mischkammer 13 ist ein Dehnstoffelement als Proportio
nal-Regler 5 angeordnet und einerseits mit einem Ventil
glied 14 und andererseits am Ventilgehäuse 15 mit einer
Schraubspindel 51 verbunden. Das Ventilglied 14 ist ei
ner Einlaßöffnung 11 für Kaltwasser und einer Einlaßöff
nung 12 für Warmwasser im Ventilgehäuse 15 derart zuge
ordnet, daß durch eine Stellbewegung die Öffnungsquer
schnitte sich gegensinnig verändern. Die Schraubspindel
51 ist aus dem Ventilgehäuse 15 herausgeführt und kann
über einen mit Gleichstrom betriebenen Elektromotor 52
gedreht werden.
Der Elektromotor 52 wird dabei von einem Hilfsregler 6
über einen Leistungsverstärker angesteuert, wobei dem
Hilfsregler 6 von einem Temperaturfühler 7 im Bereich
des Mischwasserablaufs 4 der Istwert der Temperatur des
abgegebenen Mischwassers zugeleitet wird. Der Tempera
turfühler ist hierbei so ausgelegt, daß er mit Hilfe
einer Außenmanschette 71 die Temperatur der Rohrwand
außen erfaßt.
Der Sollwert der Temperatur des zu erzeugenden Mischwas
sers wird mit einem Sollwertsteller 61 dem Hilfsregler 6
zugeleitet.
Die Wirkungsweise des Hilfsreglers besteht darin, daß
die Temperatur des Mischwassers gemessen wird, die nach
dem Durchströmen des mechanischen P-Regelgliedes, also
am Ausgang der Mischkammer, vorliegt. Diese Temperatur
wird verglichen mit der gewünschten Solltemperatur. Das
Differenzsignal wird integriert, und mit dem resultie
renden Signal wird Einfluß genommen auf den Sollwert
steller des mechanischen P-Reglers.
Das resultierende Regelungskonzept ist in dem in Fig. 1
gezeigten Strukturbild dargestellt.
Die Mischwassertemperatur wird durch einen Temperatur
fühler 7 (Sensor) gemessen. Dabei kann ein Temperatur
fühler 7 genügen, der nicht im Inneren des Wasserstromes
liegt, sondern der die Temperatur der Wandung des be
treffenden Rohres über eine Außenmanschette 71 erfaßt.
Die elektronische Realisierung eines Hilfsreglers 6 mit
I-Verhalten ist konventionelle Technik. Bei analoger
Realisierung erfordert sie im wesentlichen einen Opera
tionsverstärker. Die Ausgangsgröße des Reglers kann über
einen Leistungstransistor verstärkt und einem Gleich
strommotor zugeführt werden, der auf den Sollwertsteller
des Dehnstoffelements wirkt. Mit vergleichbarem Aufwand
ist auch eine digitale Realisierung des Integrierers
möglich.
Die durch den Einsatz des Hilfsreglers 6 erreichbare
Verbesserung des Regelverhaltens von Mischwasserberei
tungssystemen wird anhand der Kennliniendiagramme in den
Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Darin sind je zwei
Kennlinien von Mischwasserbereitungssystemen enthalten,
die zu unterschiedlichen Betriebsfällen gehören. Die
Kennlinie 10 repräsentiert den Fall starker Entnahme,
während Kennlinie 20 den reinen Zirkulationsbetrieb dar
stellt. In den Kennlinien ist die Mischwassertemperatur
T M am Ausgang des Zentralthermostaten über der normier
ten Ventilstellung q der Mischeinrichtung 1 aufgetragen.
Es zeigt sich, daß bei gleicher Mischventilstellung q
die Mischwassertemperaturen T M bei unterschiedlichen
Betriebsfällen stark voneinander abweichen. Wie aus obi
gen Ausführungen hervorgeht, stellt sich bei gleicher
Mischventilstellung q die Mischwassertemperatur T M im
reinen Zirkulationsfall auf einen höheren Wert ein als
im Falle starker Entnahme.
Die Charakteristik eines P-Reglers läßt sich im TM(q)-
Diagramm als "Reglergerade" 30 darstellen, die um so
flacher verläuft, je größer der Verstärkungsfaktor der
P-Regelung ist (Fig. 3). Die Schnittpunkte der Regler
geraden mit den Kennlinien der verschiedenen Betriebs
fälle repräsentieren die stationären Arbeitspunkte, d.h.
die sich einstellenden Mischwassertemperaturen T M und
Mischventilstellungen q. Eine Veränderung der Vorein
stellung des Mischwassertemperatursollwertes bewirkt im
TM(q)-Diagramm eine Parallelverschiebung der Reglergera
den.
Wird bei Verwendung eines reinen P-Reglers der Sollwert
der Mischwassertemperatur T M bei starker Entnahme (Kenn
linie 10) auf einen Wert von z.B. 40°C eingestellt, so
weicht die stationäre Mischwassertemperatur T M im Zirku
lationsbetrieb um die bleibende Regelabweichung Δ T M
(hier ca. 8°C) von der Solltemperatur ab (Fig. 3). Bei
Einsatz eines zusätzlichen I-Reglers als Hilfsregler 6
wird eine bleibende Regelabweichung dadurch beseitigt,
daß der I-Regler den Sollwert des P-Reglers verstellt.
Im TM(q)-Diagramm läßt sich die somit geregelte Soll
wertveränderung des mechanischen P-Reglers durch eine
entsprechende Parallelverschiebung der Reglergeraden
darstellen. Daher nimmt hiermit die stationäre Mischwas
sertemperatur auch im Zirkulationsbetrieb den vorgegebe
nen Sollwert an. In Fig. 4 sind die stationären Regel
bewegungen q des Mischventils gekennzeichnet, die einer
seits vom P-Regler, andererseits vom I-Regler bzw.
Hilfsregler 6 hervorgerufen werden.
Bei der elektrischen Realisierung der vorstehenden Ein
richtung wird es ermöglicht, auf einfache Weise durch
ein elektrisches Signal den Sollwert zu verstellen. Man
kann also, verglichen mit konventionellen Einrichtungen,
die nur über einen mechanischen P-Regler verfügen, we
sentlich einfacher, z.B. gekoppelt über eine Uhr, dafür
sorgen, daß beispielsweise nachts ein anderer Sollwert
der Mischwassertemperatur eingestellt wird als tags.
Das vorliegende Konzept hat den Vorteil, daß es das
vorhandene, bewährte Konzept der mechanischen P-Regler
beibehält. Die I-Komponente wird durch ein Zusatzteil
eingeführt. Es bedarf keiner grundlegenden Veränderung
des Regelkonzepts. Gegenüber einer rein elektrischen
Realisierung des PI-Reglers hat das vorliegende Konzept,
in dem nur der I-Regler elektrisch realisiert wird, zu
gleich den Vorteil, daß das schnelle und kräftige
Reagieren dem mechanischen Regler überlassen werden
kann, während das langsame und genaue Reagieren dem
elektrischen Regler übertragen wird. Auf diese Weise ist
es möglich, den elektrischen Teil, insbesondere das zu
gehörige Netzgerät und auch den Motor schwach auszu
legen. Die Stromversorgung kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß ein in die Steckdose zu steckendes Klein
netzgerät verwendet wird.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Bereitung von Mischwasser mit Kalt- und
Warmwasserzuflüssen sowie einem Proportional-Regler in
der Ausführung eines Dehnstoffelements, das in Abhängig
keit von der Umgebungstemperatur auslenkbar ist und das
mit einem Ventilverschlußglied verbunden ist, das durch
eine Stellbewegung die Eintrittsquerschnitte für Kalt-
und Warmwasser in einer Mischkammer gegensinnig ändert,
wobei die Position des Dehnstoffelements in der Misch
kammer über ein Stellglied veränderbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischwassertemperatur stromabwärts
außerhalb der Mischkammer (13) durch einen zusätzlichen
Temperaturfühler (7) erfaßt wird, wobei das erzeugte Meß
signal einem Hilfsregler (6) zugeführt ist, dessen Aus
gangsgröße auf einen Elektromotor (52), mit dem die Posi
tion des Proportional-Reglers (5) veränderbar ist, ein
wirkt, derart, daß der Temperaturabweichung, die zwischen
dem am Hilfsregler (6) eingestellten Sollwert der Tempe
ratur bestehen, entgegengewirkt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler (7) über eine Außenmanschette (71)
die Temperatur der Wandung des Rohres für das Mischwasser
erfaßt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mit einem elektrischen Signal einer
Schaltuhr oder dergleichen der Sollwert des Hilfsreglers
(6), z. B. für eine Nachtabsenkung der Mischwassertemperatur,
verstellbar ist.
Priority Applications (1)
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