DE4220083C2 - Anordnung zur Erzeugung einer Referenzkraft oder eines Referenzdruckes mittels Dampfdruck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Behälter, der teilweise mit Flüssigkeit befüllt ist, zur Erzeugung eines bestimmten Dampfdruckes mittels einer in die Flüssigkeit eingetauchten Heizung oder Kühlung, wobei die Heizung oder Kühlung als Stellglied eines Regelkreises geschaltet ist und die Temperatur- Dampfdruckbeziehung der Flüssigkeit ausgenutzt wird.

Prozeßführung unter konstantem Druck findet in vielen technischen Anwendungen statt. Aus einer nuklearen Dampferzeugungsanlage mit Babcock Durchwasserreaktor ist ein Druckhaltesystem bekannt, das die Aufgabe hat, die bei Laständerungen des Reaktors auftretenden Volumenschwankungen des Reaktorkühlmittels aufzufangen, ohne daß wesentliche Druckänderungen auftreten und Kühlmittel nachgespeist oder abgelassen werden muß. Das Druckhaltesystem besteht im wesentlichen aus einem Druckhalter, einer Volumenausgleichsleitung, den zugehörigen Armaturen und regeltechnischen Einrichtungen. Der Druckhalter ist zum Teil mit Wasser gefüllt. Über dem Wasserspiegel befindet sich ein Dampfpolster. Die Druckregelung erfolgt mit Hilfe einer elektrischen Heizung oder einer Sprüheinrichtung durch Erzeugung oder Kondensation von Dampf.

In der Technik, insbesondere bei der Kalibrierung oder Eichung von Meßgeräten, werden genaue Eichnormale benötigt, die einen Referenzdruck, eine Referenzkraft oder einen sonst bekannten Gasdruck verkörpern. Diese Maßverkörperungen werden unter anderem auch bei der Funktionsprüfung von Druckschaltern, Drucksensoren, Druckminderern, Überdruckventilen, Gasfedern usw. benutzt.

Bekannte Anordnungen zur Erzeugung eines Referenzdrucks sind zum Beispiel federbeaufschlagte Membranen bzw. Druckmembranen, deren Druckbeaufschlagung mittels Kompressoren und Druckminderern ausgeführt ist. Durch die Beziehung

Kraft = Druck _* Fläche

können solche Anordnungen auch zur Erzeugung von Kräften eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die beschriebenen Anwendungsfälle eine Druckbeaufschlagung anzugeben, die unabhängig von der Auslenkung ist und elektronisch besonders genau geregelt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Die Erfindung wird in Zeichnungen beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Zeichnungen zu entnehmen sind. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Referenzkraft bzw. eines Referenzdruckes durch Temperierung einer Flüssigkeit unter Ausnutzung deren Dampfdrucks,

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem Schalter,

Fig. 3 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem induktiven Sensor,

Fig. 4 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem kapazitiven Sensor,

Fig. 5 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem potentiometrischen Sensor,

Fig. 6 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem optischen Sensor,

Fig. 7 Vorrichtung gemäß Fig. 1 als Stellglied für einen Druckminderer,

Fig. 8 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Anordnung als Überdruckventil,

Fig. 9 Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Verbindung mit einem Stoßdämpfer,

Fig. 10 Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Nutzung des Differenzdampfdruckes zweier Flüssigkeiten,

Fig. 11 Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Anschlägen zur Verminderung der Zerstörung der Membran bei großen Druckunterschieden,

Fig. 12 Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Feder und/oder Gasfeder und

Fig. 13 Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit hydraulischer Kraft- bzw. Druckübertragung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Behälter, dessen obere Öffnung mittels einer Membran 2 verschlossen ist und sich in einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre 46 befindet. Der Behälter ist teilweise mit einer Flüssigkeit 3 befüllt. Der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 gelegene Raum 4 ist mit dem Dampf der Flüssigkeit 3 ausgefüllt. Innerhalb der Flüssigkeit ist ein Temperaturfühler 6 angeordnet, dessen elektrische Leitungen 7 nach außen geführt sind zu Anschlußklemmen 8. Außerdem befindet sich innerhalb der Flüssigkeit 3 noch eine Heizung/Kühlung 9, die schematisch als Spirale angedeutet ist und deren Anschlüsse über Leitungen 10 auf Anschlußklemmen 1 geführt sind.

Auf bekannte Weise ist der Temperaturfühler 6 und die Heizung/Kühlung 9 durch entsprechendes Anschließen der Klemmen 8, 11 in einen Regelkreis eingeschleift, wobei der Temperaturfühler 8 zur Gewinnung des Ist-Wertes und die Heizung/Kühlung 9 als Stellglied im regeltechnischen Sinne dient und die Temperatur der Flüssigkeit 3 die Regelgröße ist.

In Abhängigkeit der Temperatur der Flüssigkeit 3 bildet sich innerhalb des Raumes 4 infolge des ihr eigenen Dampfdrucks ein Druck aus, der entsprechend seines Unterschiedes zum Druck der Atmosphäre 46 auf die Membran 2 wirkt. Im statischen Fall ist dieser Druck lediglich von der Temperatur der Flüssigkeit 3 abhängig und nicht von der Lage der Membran 2.

In Fig. 2 ist die Membran 2 mit Stößel 12 verbunden. Dieser betätigt eine Schaltzunge 13, an die eine Leitung 14 elektrisch leitend befestigt ist. Die Schaltzunge 13 kann wahlweise in Kontakt mit Leitung 15 oder 16 treten. Auf diese Weise ist ein Schalter verwirklicht, der Leitung 14 mit Leitung 15 verbindet, sobald der Dampfdruck im Raum 4 den außen anliegenden Druck übersteigt und zur Auslenkung der Membran führt. Eine Verbindung von Leitung 14 mit Leitung 16 erfolgt, wenn der außen liegende Druck den Druck im Raum 4 übersteigt und so zu einer Membranauslenkung in entgegengesetzter Richtung führt.

In einer ersten Anordnung wird die Temperatur regeltechnisch überwacht und konstant gehalten, d. h. es ist ein Temperaturregelkreis mit vorgegebener Temperatur verwirklicht. In diesem Anwendungsfall hat man immer den gleichen Dampfdruck der Flüssigkeit.

Mit einer reinen Temperaturregelung wird sich die Membran entsprechend des Differenzdruckes zwischen Dampfdruck und Außendruck nach außen oder innen bewegen und somit den Schalter betätigen. Hierbei erhält man als Nutzinformation über den Schalter jedoch nur die Aussage, ob der Außendruck größer oder kleiner als der Dampfdruck ist. Die Anordnung arbeitet als reiner Druckschalter.

In einer zweiten Anordnung wird die Temperatur derart geregelt, daß der sich ergebende Dampfdruck und Außendruck gleich sind. Für eine solche Regelung ist die Einbindung des Meßsignals über die Lage der Membran notwendig. Anschließend läßt sich aus der Temperatur der Anordnung über die Gleichheit mit dem Dampfdruck der Außendruck bestimmen.

Bindet man deshalb das Schaltsignal mit in den Temperaturregelkreis ein, so daß durch die Nachführung der Temperatur der Dampfdruck und der Außendruck gleich sind, so läßt sich als Nutzinformation die Temperatur auswerten. Auf diese Weise erhält man also einen Drucksensor.

In Fig. 3 bewegt der Stößel 12 den Kern 17 einer Spule 18, die als Teil eines Schwingkreises geschaltet sein kann, so daß dessen Verstimmung infolge einer von der Membran bewirkten Lageänderung des Kerns 17 auf bekannte Weise elektronisch gemessen werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, in der der Abstand eines Kondensators 19 bei Änderung des Dampfdrucks in Raum 4 von Stößel 12 verstellt wird. Die Änderung der Kapazität des Kondensators 19 kann elektronisch auf bekannte Weise gemessen werden und als Meßgröße des Differenzdruckes verwendet werden.

In Fig. 5 ist die Messung der Membranlage auf potentiometrische Weise dargestellt. Stößel 12 verstellt dabei den Abgriff 20 eines Potentiometers 21, so daß am Potentiometer der Widerstand als Maß der Membranlage abgegriffen werden kann. Dies kann auch mittels Dehnungsmeßstreifen erfolgen.

In Fig. 6 verstellt Stößel 12 einen Zeiger 22, dessen Lage optisch abgelesen werden kann. Dies kann auch interferrometrisch erfolgen.

In Fig. 7 ist die Membran über Stößel 12 mit dem Ventilteller 23 eines Druckminderventils 25 verbunden. Der Ventilteller 23 wird zusätzlich von Feder 24 in Richtung seiner Schließlage beaufschlagt und wird in Abhängigkeit des Differenzdrucks zwischen Dampfdruck in Raum 4 und zu regelndem Ventilauslaßdruck von Stößel 12 durch Membran 2 verstellt.

Fig. 8 zeigt die Anordnung in einem Überdruckventils 25. Der Ventilteller 26 ist über Stößel 12 durch die Kraft der Membran 2 beaufschlagt. Sobald der Druck im Anschlußteil 27 auf dem Ventilteller 26 eine Kraft ausübt, die die Kraft des Stößels 12 übersteigt, öffnet der Ventilteller 26 den Druckraum 27, so daß aus Druckraum 27 Medium durch Öffnung 28 abfließen kann.

Fig. 9 zeigt einen Stoßdämpfer 29 mit seinem festen Ende 30 und seiner beweglichen Stange 31. Mit der beweglichen Stange 31 ist Behälter 32 fest verbunden. Die Öffnung des Behälters 32 ist mittels Rollmembran 33 verschlossen, wobei die Rollmembran 33 ihrerseits mit dem festen Ende des Stoßdämpfers 29 verbunden ist. Auf diese Weise ist die Kraft der Rollmembran infolge des Dampfdrucks mechanisch parallel zur geschwindigkeitsabhängigen Kraft des Stoßdämpfers geschaltet. Dar Dampfdruck wirkt dabei als konstante ortsunabhänige Kraft.

In Fig. 10 sind beidseitig der Membran 2 Dampfräume 4 und 34 angeordnet, wobei der zweite Dampfraum 34 innerhalb eines zweiten Behälters 35 angeordnet ist. Die Kraft, die sich aus dem Differenzdruck der beiden Dampfdrücke 4 und 34 der Flüssigkeiten 3 und 36 ergibt, wird über Stößel 12 durch Öffnung 37 nach außen geführt. Stößel 12 ist gegenüber Behälter 35 durch Dichtung 38 abgedichtet.

Bei größeren Druckdifferenzen ist vorgesehen, daß die Auslenkung des Verschlusses 2 zusätzlich durch Anschläge 39, 40 begrenzt ist, um bei zu großem Differenzdruck den Verschluß vor Beschädigung zu schützen, wie in Fig. 11 dargestellt.

Die Kennlinie der Membran kann auch durch geeignete Anordnung einer weiteren Feder 41 wunschgemäß beeinflußt werden, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Als Feder kann auch ein miteingeschlossenes anderes Gas (z. B. Luft) dienen, welches bei Bewegung des Verschlusses komprimiert bzw. dekomprimiert wird und sich somit als bekannte Gasfeder verhält. Meist wird Luft als miteingeschlossenes Gas dienen, welche bei Bewegung von Membran 2 komprimiert bzw. dekomprimiert wird.

Anstatt eines Stößels kann auch eine hydraulische Kraft- bzw. Druckübertragung gemäß Fig. 13 vorgesehen werden. Dazu ist eine zusätzliche Flüssigkeit 42 oberhalb von Membran 2 innerhalb eines Gehäuses 43 vorgesehen. An das Gehäuse ist eine Leitung 44 angeschlossen, die die Flüssigkeit 42 zu geeigneten Sensoren 45 leitet.

Das Prinzip kann auch umgekehrt werden. Durch Druck auf die Membran werden Dampfmoleküle gezwungen, die Grenzschicht zwischen Dampfraum und Flüssigkeit zu überwinden. Dabei wird eine Wärmemenge frei, die der Menge der übergetretenen Moleküle proportional ist, so daß sich die Temperatur innerhalb der Flüssigkeit erhöht. Die durch den Temperaturfühler 6 gemessene Temperaturänderung kann als Schaltsignal ausgewertet werden. Eine Heizung/Kühlung 9 ist in diesem Falle selbstverständlich nicht erforderlich, es sei denn zur Einstellung gewünschter Betätigungskräfte.

Claims (12)

1. Vorrichtung mit einem Behälter, der teilweise mit Flüssigkeit befüllt ist, zur Erzeugung eines bestimmten Dampfdruckes mittels einer in die Flüssigkeit eingetauchten Heizung oder Kühlung (9), wobei die Heizung oder Kühlung als Stellglied eines Regelkreises geschaltet ist und die Temperatur-Dampfdruckbeziehung der Flüssigkeit ausgenutzt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Öffnung in dem Behälter durch einen Verschluß, der seine Lage infolge des einwirkenden Dampfdruckes verändert, verschlossen ist, daß der Verschluß Kräften ausgesetzt ist, die entgegen dem Dampfdruck wirken, daß der Regelkreis entweder die Temperatur der Flüssigkeit mit einem Thermofühler (6) mißt und auf einen Temperatur-Sollwert regelt, so daß der Dampfdruck zur genauen Referenzdruck- oder Referenzkrafterzeugung am Verschluß nutzbar ist, oder daß der Regelkreis die Lage des Verschlusses mit einem Lagefühler erfaßt, auf einen Lage­ Sollwert regelt und daß ein Thermofühler die sich einstellende Temperatur in der Flüssigkeit mißt, so daß aus der gemessenen Temperatur der Druck außerhalb des Behälters über seine Gleichheit mit dem Dampfdruck bekannt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnung einen Verschluß aufweist, der durch eine Membran (2) und/oder einen Faltenbalg und/oder Kolben und/oder Rollsocke gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verschluß mit einem Schalter (13, 14, 15, 16) und/oder induktiven Sensor (17, 18) und/oder kapazitiven Sensor (19) und/oder potentiometrischen Sensor (20, 21) und/oder optischen Sensor (22) in Wirkverbindung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verschluß als Stellglied (23) für ein Ventil (25) vorzugsweise in einem Druckminderer (12, 23) und/oder Überdruckventil (12, 26) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter mit Verschluß (33) parallel oder in Serie zu einem Stoßdämpfer (29) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verschluß (2) als Stellglied (12) verwendbar ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Verschlusses (2) durch Anschläge (39, 40) begrenzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Verschluß (2) zusätzlich von einer Feder (41) beaufschlagt ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verschluß (2) auf seiner Außenseite mit Flüssigkeit (42, 44) beaufschlagt ist zur hydraulischen Übertragung des am Verschluß wirkenden Druckes und/oder der Verschlußposition.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß sie zwei mit Flüssigkeit (3, 36) teilweise befüllte Behälter (1, 35) aufweist, die so ausgebildet sind, daß der Differenzdruck beider Dampfdrücke (4, 34) der Flüssigkeiten (3, 36) nutzbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Heizung/Kühlung (9) ein Mikrowellenfeld vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Behälter wärmeisoliert ausgebildet ist.