DE69615350T2 - Fliesskompensiertes druckkontrollsystem - Google Patents

Fliesskompensiertes druckkontrollsystem

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Druckkontroll- bzw. - regelsysteme und zugehörige Verfahren zum Überwachen und Regeln des Strömungsmitteldrucks in einer Strömungsleitung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Druckregelsystem und -verfahren zum Überwachen und/oder Regeln des Drucks an einem abgesetzten und/oder potenziell gefährlichen Ort ohne die Notwendigkeit von Druckfühlern oder dergl. an diesem.
  • In vielen strömungstechnischen Anwendungen ist es nötig oder erwünscht, den Druck eines Fluids entlang einer Strömungsleitung zu überwachen und/oder zu regeln. In bestimmten Fällen ist es besonders erwünscht, den Strömungsmitteldruck an einem abgesetzten oder potenziell gefährlichen Ort in der Strömungsleitung zu überwachen und zu regeln, wobei es unerwünscht oder nicht möglich ist, an diesem abgesetzten oder gefährlichen Ort einen Druck- oder sonstigen Fühler anzuordnen. Ein Beispiel hierfür ist ein Betankungssystem für Luftfahrzeuge, wo man den Fluiddruck an einer lösbaren Kupplung überwachen und regeln will, mit der eine Treibstoff-Speiseleitung an das Luftfahrzeug anschließbar ist. Aus verschiedenen Gründen - bspw. Explosionsgefahr, beengte räumliche und Zugangsverhältnisse, durch die Umwelt und Handhabung bedingte Einschränkungen und dergl. - ist es nicht erwünscht, bei oder sehr nahe an einer solchen lösbaren Kupplung einen Druckfühler anzuordnen
  • Im Artikel "Remote boundary pressure control" von Arden und Cox in der Zeitschrift "Measurement and Control", Vol. 20, November 1987, S. 56-60, ist die Simulation und damit die Regelung des Drucks in einer Gas-Förderleitung beschrieben. Die Regelung erfolgt mit einen sogen. inneren Regelkreis an einer Druckuntersetzerstation gemeinsam mit einem äußeren Regelkreis, der den Druck an einem abgesetzten stromaufwärtigen Ort misst, der über eine Telemetriestrecke mit der Regelung verbunden ist. Im normalen Betrieb arbeiten sowohl der innere als auch der äußere Kreis. Der Aufsatz beschreibt auch eine Stützregelung, die in Betrieb tritt, sobald die Telemetriestrecke oder "der äußere Regelkreis ausfällt. Hierbei handelt es sich um die sogen. Inferenztechnik". Im Ausfallmodus berechnet der Mikroprozessor einen Schätzwert des Drucks am abgesetzten Ort auf Grund von Messungen des Ablaufdrucks an der Druckuntersetzerstation und im Mikroprozessor gespeicherter Leitungseigenschaften. Dieser Schätzwert ersetzt dann die im Normalbetrieb vorliegenden Ist-Messwerte.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine verhältnismäßig einfache und zuverlässige Druckregelung zum Überwachen und/oder Regeln des Fluiddrucks an einer abgesetzten Stelle in einer Strömungsleitung auf Grund von Druck- und Strömungsmessungen an einem zweckmäßigen und/oder sicheren Ort in der Leitung.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln des Drucks in einer Strömungsleitung nach Anspruch 1. Die Erfindung ermöglicht das Überwachen und Regeln des Fluiddrucks an einem abgesetzten und/oder potenziell gefährlichen Ort in einer Strömungsleitung, ohne dass an diesem abgesetzten Ort ein Druckfühler vorhanden sein muss. Die Regelung weist einen Regler auf, der geeignet programmiert ist, um aus an einem zweckmäßigen und/oder sicheren Ort entlang der Leitung genommenen Fluiddruck- und Strömungsmesswerten den Fluiddruck an diesem abgesetzten Ort abzuleiten. Der so abgeleitete Druckwert kann am Regler sichtbar dargestellt werden. Weiterhin ist mit dem Regler eine Einstelleinrichtung wie bspw. ein Druckeinstellventil oder ein geeigneter Strömungsstärkeneinsteller so betätigbar, dass der Fluiddruck am abgesetzten Ort in vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden kann.
  • Der Regler wird für eine gegebene Strömungsanwendung in einer Abgleichphase programmiert, indem man den Fluiddruck an sowohl dem abgesetzten als auch dem sicheren Ort direkt sowie die Strömung in der Leitung bei simuliertem Betrieb misst. Aus der Kenntnis dieser Parameter sowie der Dichte des geförderten Fluids läßt sich ein System-Strömungsbeiwert (Cv) berechnen. Diesen Beiwert programmiert man in den Regler ein und schaltet dann das System auf Normalbetrieb ohne Druckfühler am abgesetzten Ort um.
  • Im normalem Systembetrieb werden der Fluiddruck und die Strömungsstärke am sicheren Ort überwacht, um den dort herrschenden Fluiddruck abzuleiten. Der Regler kann eingerichtet sein, auf diesen abgeleiteten Druckwert ansprechend ein Druckeinstellventil oder dergl. anzusteuern, das den Fluiddruck so moduliert, dass der Druck am abgesetzten Ort auf oder unter einem gewählten Schwellenwert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten wird.
  • Andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung, die an einem Beispiel die Prinzipien der Erfindung darstellt.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die beigefügte Zeichnung stellt die Erfindung in schaubildlicher Form dar.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die ein Beispiel darstellende Zeichnung zeigt allgemein mit dem Bezugszeichen 10 ein verbessertes strömungskompensiertes Druckregelsystem zum Überwachen und/oder Regeln des Fluiddrucks an einem abgesetzten oder gefährlichen Ort 12 in einer Strömungsleitung 14. Das Regelsystem 10 enthält Fühler sowie ein Druckeinstellventil 30 an einem zweckmäßigen oder sicheren Ort 16 in der Leitung 14 in Kombination mit einem programmierbaren Regler 18. Der Regler 18 ist so ausgeführt, dass er auf Parameter-Messwerte anspricht, die am sicheren Ort 16 aufnehmbar sind, um aus diesen zwecks Drucküberwachung und/ oder -regelung eine genaue Anzeige des Fluiddruckniveaus am abgesetzten Ort 12 abzuleiten.
  • Die illustrative Zeichnung zeigt das erfindungsgemäße Regelsystem 10 in einer Anlage zum Betanken von Luftfahrzeugen, in der es sich bei der Leitung 14 um einen Treibstoffschlauch zum lösbaren Anschluss - am Boden oder in der Luft - an ein Luftfahrzeug-Treibstoffsystem (nicht gezeigt) mit einer Kupplung (ebenfalls nicht gezeigt) am oder nahe dem abgesetzten Ort 12 handelt. Im Normalbetrieb ist das Anordnen eines Fühlers - insbesondere eines, der eine elektrische Stromversorgung erfordert - am abgesetzten Ort 12 wegen der Explosionsgefahr und räumlicher Einschränkungen unerwünscht. Man will jedoch den Fluiddruck am abgesetzten Ort 12 überwachen können, um ihn so zu regeln, dass sicher und einwandfrei betankt wird.
  • Im Betrieb reagiert der Regler 18 auf Parametermesswerte, die mit den Fühlern am sicheren Ort 16 aufgenommen wurden, um aus diesen den Fluiddruck am abgesetzten Ort 12, der sich stromabwärts des sicheren Orts 16 befindet, abzuleiten. Wie gezeigt, sind diese Parametermesswerte u. a. ein Druckwert bzw. -signal (P1), den ein entlang der Leitung 14 installierter Druckwandler 20 liefert, sowie ein Strömungs-Messwert bzw. -signal (Q), das ein geeignetes Strömungsmesssgerät 22 in der Leitung 14 abgibt. Der Regler 18 leitet aus diesen Parametern den Fluiddruck am abgesetzten Ort 12 ab, stellt ihn sichtbar mit einem Display (vergl. den Block 24) dar und/oder steuert damit ein oder mehrere Magnetventile 26 und 28 an, die ihrerseits das Druckeinstellventil 30 steuern, das sich ebenfalls in der Leitung an einem zweckmäßigen oder sicheren Ort 16 stromaufwärts des Strömungsmessers 22 und des Druckfühlers 20 befindet. Die Magnetventile 26, 28 sind in der Zeichnung am Hochdruck-Zulauf bzw. Niederdruck-Ablauf des Stellventils angeschlossen und werden vom Regler 18 so angesteuert, dass sie den Druck in einer Steuerkammer 32 derart modulieren, dass ein Steuerkolben 34 den stromabwärtigen Fluiddruck in der Leitung 14 steigert oder senkt. Wie dargestellt, ist der Steuerkolben 34 als Gitterkolben ("open-webbed") ausgeführt, wobei eine äußere Hülse 36 mit einer Hinterkante an einem Ventilschieber 38 angreift, um die Strömung durch das Stellventil zu sperren. Ein Kolbenschaft 40 steht im Ventilschieber 38 rückwärts vor und eine zwischen eine Vorderwand des Ventilschiebers und eine hintere Schulter auf dem Schaft 40 gelegte Feder 42 spannt den Steuerkolben 34 in die Schließstellung vor, wie gezeigt. Der modulierte Druck in der Steuerkammer 32 öffnet den Steuerkolben teilweise so, dass sich eine präzise Regelung des stromabwärtigen Drucks ergibt. Für den Fachmann ist jedoch einzusehen, dass der spezielle Aufbau und die Arbeitsweise des Druckeinstellventils 30 andere aus dem Stand der Technik bekannte Formen annehmen können, um die geforderte Steuerung der Strömung zu erfüllen.
  • Der Regler 18 ist so vorprogrammiert, dass sich der Fluiddruck am abgesetzten Ort 12 ableiten läßt, ohne dass dort im Normalbetrieb ein Druckfühler erforderlich wäre. Insbesondere besteht für ein nicht komprimierbares Fluid in der Leitung 14 ein Funktionszusammenhang, der durch folgende Gleichung gegeben ist:
  • P2 = P1 - (Q²ρ/Cv²)
  • mit P2 = abgeleiteter Druck (Pa) am zweiten Ort (12)
  • P1 = gemessener Druck (Pa) am ersten Ort (16)
  • Q = gemessene Strömung (Liter/s)
  • Cv = System-Strömungsbeiwert ((Liter/s)/(Pa)1/2)
  • ρ = Fluiddichte (kg/Liter)
  • [Mit den ursprünglichen Einheiten des Imperial-Systems:
  • P2 = P1 - (Q²ρ/Cv2*62.4)
  • mit P2 = abgeleiteter Druck (psi) am zweiten Ort (12)
  • P1 = gemessener Druck (psi) am ersten Ort (16)
  • Q = gemessene Strömung (gallons/minute)
  • Cv = System-Strömungsbeiwert ((gallons/minute)/(psi)1/2)
  • ρ = Fluiddichte (lbs/cubic foot)
  • ]
  • Während einer anfänglichen System-Abgleichphase wird ein Druckwandler 36 am abgesetzten Ort 12 in der Leitung 14 installiert und die Strömung in der Leitung eingeleitet, um den Normalbetrieb zu simulieren. Die Gleichung (1) läßt sich lösen, um den Strömungsbeiwert (Cv) zu bestimmen, wobei man die Strömung (Q) sowie die Drücke (P1) und (P2) am sicheren bzw. abgesetzten Ort misst; die Dichte des vom System geführten Fluids ist bekannt. Der Regler 18 wird dann aufgrund des Strömungsbeiwerts (Cv) so programmiert, dass er die Gl. (1) in folgender Form löst:
  • Nach der anfänglichen Abgleichphase und geeigneter Programmierung des Reglers 18 kann der Druckwandler 36 am abgesetzten Ort 12 aus der Anlage entfernt werden. Dann bringt man das Strömungssystem und die zugehörige Regelung in den Normalbetrieb, bei dem der Regler 18 den Druck am abgesetzten Ort 12 nur aus nur dem Druckwert (P1) und der Strömung (Q) ableitet, die die Fühler 20, 22 am sicheren Ort 16 liefern. Zwecks Sichtüberwachung läßt sich der abgeleitete Druckwert am abgesetzten Ort 12 mit dem Displayblock 24 ausgeben. Alternativ oder zusätzlich läßt der abgeleitete Druckwert sich zum Ansteuern des Druckeinstellventils 30, wie oben beschrieben, so verwenden, dass der Fluiddruck am abgesetzten Ort 12 unter einem vorbestimmten Schwellen- bzw. Grenzwert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs verbleibt.
  • Die obige Beschreibung der Erfindung geht davon aus, dass der abgeleitete Druckwert (P2) stromabwärts des Druckwerts (P1) vorliegt. Für den einschlägigen Fachmann ist einzusehen, dass die Gleichung für den Strömungsbeiwert (Cv) sich für einen stromaufwärtigen Druck (P1) wie folgt lösen läßt, falls der abgesetzte Ort 12 stromaufwärts des sicheren Orts 16 liegt:
  • Im Normalbetrieb leitet der Regler 18 den Druck (P1) am abgesetzten Ort 12 nur aus dem Druckwert (P2) und aus der Strömung (Q) aus den Fühlern 20, 22 an sicheren Ort 16 ab. Die Sichtdarstellung des am abgesetzten Ort 12 vorliegenden Drucks und die Arbeitsweise des Druckstellventils 30 wären dann so, wie oben beschrieben.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet anstelle des Druckstellventils 30 eine Einrichtung zum Einstellen der Strömung. Wie in Gl. (1) ersichtlich, läßt der abgeleitete Druckwert (P2) sich durch Ändern der Strömung (Q) - anstelle des Drucks (P1) am sicheren Ort 16 - ändern. Alternativ oder zusätzlich kann man den abgeleiteten Druckwert zum Betätigen einer Durchsatzeinstellung auf eine Weise nutzen, dass der Fluiddruck am abgesetzten Ort 12 unter einem vorbestimmten Schwellenwert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs verbleibt.
    • LEGENDE
  • Fig. 1
  • 24 Sichtanzeigeeinheit
  • 18 Regler

Claims (2)

1. Verfahren zum Überwachen und Regeln des Drucks eines nicht komprimierbaren Fluids in einem Abschnitt einer Fluidleitung mit einer Arbeitsphase, die folgende Schritte aufweist:
Erfassen des Fluiddrucks an einem ersten Ort (16) der Leitung (14) und Erzeugen eines diesen Druck darstellenden Drucksignals (P1) mittels eines Druckfühlers (20),
Erfassen der Strömung des Fluids an dem ersten Ort (16) der Leitung und Erzeugen eines diese Strömung darstellenden Signals mittels eines Strömungsfühlers (22),
Ableiten des Fluiddrucks an einem vom ersten entfernten zweiten Ort (V2) der Leitung mittels eines Reglers (18), der auf das Druck- und das Strömungssignal (P1, Q) anspricht,
Regeln des Fluiddrucks oder der Strömung in der Leitung, um den Fluiddruck am zweiten Ort (12) innerhalb einer vorbestimmten Grenze zu halten,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abgleichphase vorgesehen ist, in der ein System-Strömungsbeiwert (Cv) bestimmt wird, indem man den Fluiddruck und die Strömung am ersten Ort (16) sowie auch den Fluiddruck am zweiten Ort (12) erfasst,
der Ableitschritt der Arbeitphase den Regler benutzt, um folgende Gleichung zu lösen:
P2 = P1 - (Q²ρ/Cv²)
mit P2 = abgeleiteter Druck (Pa) am zweiten Ort (12)
P1 = gemessener Druck (Pa) am ersten Ort (16)
Q = gemessene Strömung (Liter/s)
Cv = System-Strömungsbeiwert ((Liter/s)/(Pa)1/2)
ρ = Fluiddichte (kg/Liter)
[mit den ursprünglichen Einheiten des Imperial-Systems:
P2 = P1 - (Q²ρ/Cv2*62.4)
mit P2 = abgeleiteter Druck (psi) am zweiten Ort (12)
P1 = gemessener Druck (psi) am ersten Ort (16)
Q = gemessene Strömung (gallons/minute)
Cv = System-Strömungsbeiwert ((gallons/minute)/(psi)1/2)
ρ = Fluiddichte (lbs./cubic foot) ]
und dass
der Regelschritt der Arbeitsphase ein Druckeinstellventil (30) oder ein Strömungseinstellventil verwendet, das in der Leitung (14) mindestens geringfügig stromaufwärts des ersten Orts (16) angeordnet ist, um den Fluiddruck am zweiten Ort (12) innerhalb des vorbestimmten Grenzwerts zu halten.
2. Verfahren nach Anspruch 2 weiterhin mit dem Schritt des sichtbaren Anzeigens des für den zweiten Ort (12) abgeleiteten Fluiddrucks.
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