DE3723284A1 - Automatisches druckreduzierventil - Google Patents
Automatisches druckreduzierventilInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein automatisches Reduzier
ventil zum Einstellen eines Sekundärdrucks, insbesondere
des Drucks eines angeschlossenen gesteuerten Systems, auf
einen vorgegebenen Solldruck durch Selbstregelung der Druck
einstellbedingungen und auf der Basis eines mit Hilfe eines
Druckfühlers ermittelten, dem Istdruck des angeschlossenen
Systems entsprechenden Istdrucksignals.
Aus der DE-OS 35 34 393 ist bereits ein Reduzierventil der
vorerwähnten Art mit einem Membranventil, einer eine Druck
einstellfeder aufweisenden Druckeinstelleinheit, eines An
triebs für die Druckeinstelleinheit und einer Steuereinheit
bekannt, deren Signal den Antrieb steuert, wenn die Abwei
chung des gemessenen Sekundärdrucks, insbesondere des Ist
drucks eines gesteuerten Systems von einem Solldruck einen
vorgegebenen Wert überschreitet, um die Druckabweichung auf
null zu bringen.
Dieses automatische Membranventil eignet sich zum stabilen
mechanischen Einstellen eines konstanten Sekundärdrucks,
wenn die Druckabweichung des Sekundärdrucks unter einem
Referenzwert liegt. Da dieses Ventil jedoch den Sekundär
druck auf der Basis eines Vergleichs zwischen der ge
messenen Druckabweichung und einer Referenzabweichung ein
stellt, dauert es verhältnismäßig lange, bis sich der Se
kundärdruck auf den Solldruck stabilisiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein automa
tisches Reduzierventil zum raschen Einstellen des Sekundär
drucks auf einem vorgegebenen Sollwert zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe bedient sich erfindungsgemäß der
funktionalen Beziehung zwischen der Lage eines Druckein
stellelements und dem Sekundärdruck einschließlich der
Druckregulierung und des Antriebs für die Druckeinstellung.
Erfindungsgemäß weist das Reduzierventil eine Druckeinstell
einheit, einen Sekundärdruckfühler, einen Druckregler für
den Sekundärdruck, einen Antrieb für die Druckregelung,
eine Kontrolleinheit für den Antrieb und einen Solldruckge
ber auf.
Die Kontrolleinheit steuert den Antrieb auf der Basis der
funktionalen Beziehung zwischen der Lage der Druckeinstel
lung und dem gemessenen Sekundär- bzw. Istdruck und bewirkt
so das Einstellen des Sekundärdrucks auf den gewünschten,
d.h. den Sollwert.
Die Kontrolleinheit kann dabei einen Rechner mit arithmeti
schen Mitteln, Korrekturmitteln und einem Speicher aufwei
sen.
Nach der Erfindung errechnet die Betätigung der Kontrollein
heit bei einem willkürlichen eingestellten Solldruck eine
entsprechende Lage eines Druckeinstellelements der Druckein
stelleinheit auf Basis der funktionalen Beziehung zwischen
dem Sekundärdruck und der Lage des Druckeinstellelements,
wonach die Kontrolleinheit an den Antrieb ein Steuersignal
abgibt, um die Lage des Druckeinstellelements auf die rech
nerisch ermittelte Sollage einzustellen und auf diese Weise
den Sekundärdruck in Übereinstimmung mit dem Solldruck zu
bringen.
Sobald der Sekundärdruck dem Solldruck entspricht, beginnt
das Druckeinstellventil mit seiner mechanischen Drucküberwa
chung in üblicher Weise. Im Falle einer Feinsteuerung des
Sekundärdrucks empfiehlt sich ein Sekundärdruckfühler zum
kontinuierlichen oder periodischen Messen des Sekundär
drucks und zur Steuerung des Antriebs mit Hilfe eines rech
nerisch von der Betätigung der Kontrolleinheit auf der
Basis der Differenz zwischen Solldruck und dem gemessenen
Sekundärdruck ermittelten Korrektursignals zum kontinuier
lichen oder periodischen Einstellen des Sekundärdrucks.
Das erfindungsgemäße automatische Reduzierventil spricht
äußerst rasch auf Anderungen des Sekundärdrucks an und re
gelt den Sekundärdruck, insbesondere einen gesteuerten
Druck spontan auf den vorgegebenen Solldruck ein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein automatisches Druckreduzierventil, insbesonde
re dessen Druckregelung, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwi
schen der Druckregelung und dem Istdruck,
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines automatischen Druckredu
zierventils nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines anderen automatischen
Druckreduzierventils nach der Erfindung und
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines weiteren automatischen
Druckreduzierventils nach der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckreduzierventil 1 ist eine
Druckeinstellfeder 2 zwischen je einem Federsitz 3, 6 ange
ordnet und wirkt einerseits über den Federsitz 3 auf eine
Membrane 4 und andererseits über den Federsitz 6 und eine
Kugel 7 auf eine Druckeinstellschraube 8. In einer Druckkam
mer 5 unterhalb der Membrane 4 herrscht der Sekundärdruck
des Reduzierventils 1. Demgemäß stellt sich die Lage der
Membrane 4 in Abhängigkeit von dem Druckgleichgewicht zwi
schen der Druckeinstellfeder 2 einerseits und dem in der
Druckkammer 5 herrschenden Sekundärdruck ein. Da die Funk
tion der Membrane 4 hinsichtlich des Sekundärdrucks hinrei
chend bekannt ist, erübrigt sich hier eine ins einzelne
gehende Beschreibung.
Die Druckeinstellschraube 8 greift mit ihrem Außengewinde 9
am unteren Ende in ein ortsfestes Gewindestück 10 mit einem
Innengewinde in dessen Zentrum. Des weiteren weist die
Druckeinstellschraube 8 im oberen Teil eine axiale Bohrung
auf, in der eine Haltehülse 11 mit Haltekugeln 12 angeord
net ist. In die axiale Bohrung der Druckeinstellschraube 8
und die Haltebüchse 11 greift zwischen den Haltekugeln 12
liegend eine Keilwelle 13 ein, deren anderes Ende über ein
Untersetzungsgetriebe 14 mit der Antriebswelle eines Motors
15 verbunden ist.
Da die Druckeinstellschraube 8 mit ihrem Außengewinde 9 in
das Innengewinde 10 des ortsfesten Gewindestücks eingreift,
dreht sie sich mit der Keilwelle 13 und bewegt sich ab
wärts, wenn sich die Antriebswelle des Motors 15 in der
einen Richtung dreht, und drückt die Druckeinstellfeder 2
über den Federsitz 8 zusammen, um auf diese Weise den
eingestellten Druck zu erhöhen. Dreht sich hingegen die
Motorwelle in der entgegengesetzten Richtung, dann dreht
sich auch die Druckeinstellschraube 8 in entgegengesetzter
Richtung und bewegt sich nach oben, so daß die Druckein
stellfeder 2 entlastet und der eingestellte Druck ver
ringert wird.
Der Weg, um den sich das untere Ende der Druckeinstell
schraube 8 aus einer vorgegebenen Referenzlage, im fol
genden als Ausgangslage bezeichnet, bewegt, in der sich bei
nicht zusammengedrückter Feder 2 das untere Ende der
Schraube über die Kugel 7 in Berührung mit dem Federsitz 6
befindet, ist proportional der Federkompression, wie sich
das aus Fig. 2 ergibt, und demgemäß auch dem sekundärsei
tigen Solldruck. Die Erfindung benutzt diesen Zusammenhang
zwischen dem Weg der Schraubenspitze und dem Solldruck.
Das dem Blockdiagramm der Fig. 3 zugrundeliegende automati
sche Druckeinstellventil 1 besitzt einen Druckregler 50 mit
der Druckeinstellschraube 8, einen Antrieb 52 einschließ
lich eines Motors 15, einen Druckfühler 54, einen Signal
wandler 55, eine Kontrolleinheit 56 einschließlich eines
Rechners zum Speichern der Daten der Ausgangsstellung der
Einstellschraube, die den funktionalen Zusammenhang zwi
schen der Ausgangsstellung und dem Istdruck wiedergeben,
und einen Druckgeber 58. In diesem Falle ist das Druckredu
zierventil mit einem Fortschaltmotor ausgestattet.
Der Druckfühler 54 spricht auf den Sekundärdruck des Druck
reduzierventils 1 an und gibt ein dem jeweiligen Sekundär
druck entsprechendes Signal an den Signalwandler 55. Der
Signalwandler 55 setzt das Drucksignal um in ein entspre
chendes digitales Drucksignal und gibt dieses an den Rech
ner der Druckkontrolleinheit 56.
Nach der Aufnahme des Solldrucks entsprechend dem an dem
Druckgeber 58 eingestellten Druck errechnet der Rechner die
diesem Druck entsprechende Lage der Einstellschraube 8 auf
der Basis der zuvor gespeicherten Daten der Ausgangslage
der Einstellschraube und gibt alsdann ein der rechnerisch
ermittelten Sollage entsprechendes Impulssignal an den An
trieb 52, um den Druckregler 50 in Gang zu setzen und dabei
die Druckeinstellschraube in die rechnerisch ermittelte
Sollage zu bringen. Dementsprechend stellt sich der Se
kundärdruck des Druckreduzierventils 1 augenblicklich auf
den Solldruck ein. Der Drehwinkel der Antriebswelle des
Stufenmotorventils 15 ist proportional der Impulszahl des
Signals, so daß die Lage der Druckeinstellschraube 8 der
Impulszahl des Signals entspricht.
Der Druckfühler 54 ermittelt fortlaufend oder auch perio
disch den Sekundärdruck, während in gleicher Weise der Sig
nalwandler 55 digitale Signale an die Kontrolleinheit 56
übermittelt. Der Rechner der Kontrolleinheit 56 vergleicht
den Istdruck mit dem Solldruck. So lange sich die Differenz
zwischen dem Sekundärseitigen Istdruck und dem Solldruck
innerhalb vorgegebener Grenzen bewegt, gibt die Druckkon
trolleinheit kein Signal zum Einschalten des Antriebs 52.
Übersteigt die Abweichung des sekundärseitigen Istdrucks
jedoch den Solldruck über einen vorgegebenen Grenzwert hin
aus, ermittelt der Rechner den Korrekturabstand, um den
sich die Druckeinstellschraube 8 zum Ausgleich der ermittel
ten Abweichung bewegen muß. Er gibt auf der Basis der Diffe
renz zwischen dem sekundärseitigen Istdruck und dem Soll
druck sowie den gespeicherten Daten bezüglich der Ausgangs
lage der Druckeinstellschraube 8 ein Steuersignal ab, das
dem rechnerisch ermittelten Korrekturabstand für die Sekun
därdruckkorrektur entspricht, um die Antriebseinheit zum
Einstellen der Druckeinstellschraube 8 zum Feineinstellen
des Sekundärdrucks einzuschalten.
Beträgt beispielsweise der Solldruck 5 kg/cm2 und die max
male Abweichung ± 0,1 kg/cm2 bei einem gemessenen Sekundär
druck von 4,5 kg/cm2, dann errechnet der Rechner den der
Druckabweichung von 0,5 kg/cm2 entsprechenden Korrekturab
stand der Schraubenspitze auf der Basis der zur Ausgangs
lage der Einstellschraube gespeicherten Daten, um alsdann
die Einstellschraube 8 entsprechend einzustellen.
Um eine bessere Druckkontrolle zu erreichen, werden im
Rechner die der funktionalen Beziehung zwischen dem Soll
druck und der Ausgangslage der Schraube entsprechenden digi
talen Daten, beispielsweise eine vorgegebene Beziehung zwi
schen Solldruck und der Ausgangslage entsprechend Solldruck
intervallen von 1 kg/cm2 und den entsprechenden Schrauben
lagen abgespeichert sowie die Steuer- und Korrekturschritte
auf der Basis der digitalen Daten entsprechend der vorgege
benen Beziehung durchgeführt. Im Falle einer Korrektur wer
den die der vorherigen Ausgangslage der Schraube entspre
chenden digitalen Daten durch die der neuen Ausgangslage
entsprechenden korrigierten Daten ersetzt, um den Speicher
zu aktualisieren.
Entsprechen beispielsweise die im Speicher des Rechners
gespeicherten Schraubenlagen S 4 und S 5 sekundärseitigen
Solldrücken von 4 bzw. 5 kg/cm2, dann bewegt der Motor die
Druckeinstellschraube 8 bei einem am Ventil eingestellten
Solldruck von 5 kg/cm2 in die Schraubenlagen S 5. Beträgt
die maximale Abweichung ± 0,1 kg/cm2, verharrt der Motor so
lange in Ruhe, wie die Abweichung des sekundärseitigen
Istdrucks innerhalb der beiden Grenzwerte verbleibt.
Im Falle eines Solldrucks von 5 kg/cm2, einer maximalen
Abweichung von ± 0,1 kg/cm2 und eines sekundärseitigen Ist
drucks von 4,5 kg/cm2 errechnet der Rechner die der Ist
druckabweichung entsprechende Änderung der Schraubenla
ge Δ S zu 5,0-4,5=0,5 kg/cm2 entsprechend der Gleichung:
S = (S 5 - S 4) × 0,5/(5 - 4).
Alsdann bewegt der Motor die Druckeinstellschraube entspre
chend der rechnerisch ermittelten notwendigen Änderung der
Schraubenlage von S, um dem Sekundärdruck von 4,5 kg/cm2
auf 5,0 kg/cm2 zu erhöhen. Im Speicher wird dann die
ursprünglich gespeicherte Schraubenlage S 5 durch die neue
Ausgangslage S 5 + Δ S ersetzt.
Wird derselbe Solldruck in die Kontrolleinheit gegeben, um
den Ventildruck auf denselben Solldruck einzustellen, nach
dem die Druckeinstellschraube 8 sich aus ihrer Ausgangslage
herausbewegt hat, um den Solldruck zu ändern, errechnet der
Rechner die richtige Schraubenlage, um den Sekundärdruck
augenblicklich auf den Solldruck einzustellen.
Wenn auf diese Weise das Druckkontrollsystem des automati
schen Druckreduzierventils eingestellt ist, liefert das
Druckkontrollsystem selbst dann ideale Steuerdaten, wenn
sich die Arbeitsbedingungen des Ventils geändert haben, so
daß das Ventil mit hoher Ansprechgeschwindigkeit arbeitet.
Prinzipiell ist das sich aus den Fig. 1 und 4 ergebende
Ausführungsbeispiel hinsichtlich Konstruktion und Funktion
ähnlich den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen; es
besitzt jedoch ein Drehpotentiometer zur Überwachung der
Lage der Druckeinstellschraube 8 und einen Reversiermotor
anstelle eines Stufenmotors als Antrieb für die Druckregu
lierschraube 8.
Nach Fig. 4 besitzt dieses Ausführungsbeispiel ein Druckre
duzierventil 1, einen Druckregler 50, einen Antrieb 52,
einen Druckfühler 54, einen Signalwandler 55, eine Kontroll
einheit 56, einen Solldruckgeber 58, ein Untersetzungs
getriebe 14 und ein Drehpotentiometer 20.
Nach der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 steht das
Drehpotentiometer in Wirkverbindung mit einem der nicht
dargestellten Zahnräder des Untersetzungsgetriebes 14. Die
Ausgangsspannung des Potentiometers 20 ist proportional dem
Abstand der Druckregulierschraube 8 von der Referenz- bzw.
Ausgangslage, d.h. einer Lage bei der sich die Schraube in
Berührung mit der Druckeinstellfeder 2 steht, ohne diese
jedoch zusammenzudrücken. Demgemäß gibt die Ausgangsspan
nung des Drehpotentiometers 20 die aktuelle Schraubenlage
wieder und entspricht daher dem Sekundärdruck, d.h. dem
überwachten Istdruck. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
4 ist die funktionale Beziehung zwischen der Ausgangslage
der Schrauben entsprechend der Ausgangsspannung des Drehpo
tentiometers 20 und dem Sekundärdruck im Rechner gespei
chert.
An die Stelle des Drehpotentiometers 20 kann ein lineares
Potentiometer oder ein Differenzialtransformator treten.
Bei Verwendung eines Linearpotentiometers ist dessen Stell
arm so angeordnet, daß er sich zusammen mit der Druckein
stellschraube 8 linear bewegt. Im Falle eines Differenzial
transformators ist dessen Kern so angeordnet, daß er sich
zusammen mit der Druckeinstellschraube 8 linear bewegt.
Die Kontrolleinheit 56 gibt kontinuierlich ein Signal an
den Antrieb 52 ab, bis das Ausgangssignal des Drehpotentio
meters 20, d.h. das die aktuelle Lage der Einstellschraube
8 anzeigende Signal mit dem vom Solldruckgeber 58 an die
Überwachungseinheit 56 abgegebenen Signal übereinstimmt. Da
die weiteren Funktionen denen des Ausführungsbeispiels der
Fig. 1 und 2 entspricht, erübrigt sich eine weitergehende
Beschreibung.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 umfaßt ein Druckredu
zierventil 1, ein Untersetzungsgetriebe 14, ein Drehpoten
tiometer 20, einen Druckregler 50, einen Antrieb 52, eine
Kontrolleinheit 70 und einen Solldruckgeber 72 einschließ
lich eines Potentiometers.
Der Solldruckgeber 72 enthält keinen Rechner. Dieses Aus
führungsbeispiel eignet sich für eine besonders einfache
Überwachung des Sekundärdrucks auf der Basis der Beziehung
zwischen der Lage der Einstellschraube und dem Sekundär
druck, d.h. dem zu überwachenden Druck. Das Drehpotentiome
ter 20 steht dabei in Wirkverbindung mit dem Untersetzungs
getriebe 14 und gibt eine der Schraubenlage bzw. dem Sekun
därdruck entsprechende Signalspannung an die Kontrollein
heit 70 ab, während das Potentiometer des Solldruckgebers
72 eine dem Solldruck entsprechende Signalspannung an die
Kontrolleinheit 70 abgibt. Die Kontrolleinheit 72 ver
gleicht die der Schraubenlage entsprechende Signalspannung
mit der dem Istdruck entsprechenden Signalspannung und gibt
ein Steuersignal an den Antrieb ab, um die Druckeinstell
schraube so lange zu verstellen, bis die Signalspannung des
Drehpotentiometers 20 mit der dem Solldruck entsprechenden
Signalspannung übereinstimmt.
An die Stelle des Drehpotentiometers 20 kann ein lineares
Potentiometer oder ein Differenzialtransformator entspre
chend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel treten.
Claims (6)
1. Automatisches Druckreduzierventil, gekennzeichnet durch
ein Druckeinstellventil (1), einen Solldruckgeber (58,
72), einen Druckregler (50) zum Einstellen des Sekundär
drucks am Druckeinstellventil, einen Antrieb (52) für
den Druckregler, eine Kontrolleinheit (56) auf Basis des
Solldrucks und der vorgegebenen funktionalen Beziehung
zwischen der Lage eines Druckeinstellelementes (8) der
Druckeinstelleinheit und des Istdrucks.
2. Reduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckregler (50) einen Rechner (56) zum Spei
chern des vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs zwi
schen der Lage des Druckeinstellelements (8) und des
Istdrucks aufweist, der die Sollage des Druckeinstell
elements auf der Basis der gespeicherten Daten und eines
Solldrucksignals von dem Solldruckgeber (58) errechnet,
wobei die Lage des Druckeinstellelements mit Hilfe einer
Lageanzeige (20) bestimmt wird und die Kontrolleinheit
(56) den Antrieb (52) steuert, bis das Lagesignal der
Lageanzeige mit dem rechnerisch vom Rechner auf der
Basis der gespeicherten Daten und dem Solldrucksignal
ermittelten Sollagesignal übereinstimmt.
3. Reduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckregler (50) einen Rechner (56) zum Spei
chern des vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs zwi
schen der Lage des Druckeinstellelements (8) und des
Istdrucks aufweist, der Antrieb (52) aus einem Stufenmo
tor (15) besteht und der Rechner auf der Basis eines
Solldrucksignals vom Solldruckgeber (58), ein Impulssig
nal errechnet, dessen Impulszahl der Sollage des Druck
einstellelements (8) entspricht und alsdann das Impuls
signal an den Stufenmotor abgibt, um den Istdruck auf
den Solldruck zu regeln.
4. Reduzierventil nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet
durch einen Druckfühler (54) zum Feststellen des Ist
drucks, dessen Istdrucksignal kontinuierlich oder perio
disch mit dem Solldrucksignal vom Solldruckgeber (58)
verglichen wird, um die Abweichung des lstdrucks vom
Solldruck zu ermitteln, wobei im Falle einer signifi
kanten Abweichung des Istdrucks vom Solldruck der Rech
ner (56) auf der Basis der Abweichung und der gespei
cherten Daten einen Korrekturabstand errechnet, über den
das Druckeinstellelement (8) des Druckreglers (50) aus
seiner Istlage bewegt werden muß, um den Istdruck auf
den Solldruck einzustellen.
5. Reduzierventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch die Kontrolleinheit (56) auf der Basis des
Unterschieds zwischen dem Istdrucksignal und dem Soll
drucksignal bestimmte Lage des Druckeinstellelements (8)
des Druckreglers (50) im Rechner (56) als neue Exaktlage
des Druckeinstellelements (8) des Druckreglers gespei
chert wird.
6. Reduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontrolleinheit (70) den Antrieb (52) einschal
tet, bis das mit Hilfe eines Potentiometers oder derglei
chen festgestellte Lagesignal des Druckeinstellelements
(8) mit dem Solldrucksignal eines Potentiometers oder
dergleichen des Solldruckgebers (72) übereinstimmt.
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