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Die Erfindung betrifft ein Membranregelventil.
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Häufig werden Sitzventile mit einer linearen oder gleichprozentigen Ventilkennlinie als Regelventile genutzt. Ein solches Sitzventil ist beispielsweise aus der
DE 18 28 930 U bekannt.
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Membranventile, wie in der
DE 10 2016 124 805 A1 offenbart, sind wiederum dafür bekannt, dass sie sich aufgrund ihrer extrem nichtlinearen Ventilkennlinien nur in Ausnahmefällen als Regelventil nutzen lassen, da mit ihnen Prozesse nur schwer oder gar nicht regelbar sind. Soll ein Membranventil als Regelventil einsetzbar sein, so kann zum heutigen Tage beispielsweise auf eine Sonderform der Membranventile zurückgegriffen werden, wie sie beispielhaft in der
DE 10 2015 205 127 A1 und
DE 10 2013 215 294 A1 offenbart sind. Hier finden besonders ausgeformte parabolkegelförmige Membranen Anwendung. Die Ventilkennlinie wird dabei über die Ausgestaltung der Membran, insbesondere über die Form der Membran, eingestellt. Bei den genannten Membranregelventilen entspricht der Parabolkegel von der Form her im Wesentlichen dem Regelkegel aus der
DE 18 28 930 U . Eine Anpassung der Ventilkennlinie erfordert somit den Ausbau und Austausch der Membran. Dies ist mit einem hohen Aufwand verbunden und führt ggf. zu längeren Betriebsu nterbrechu ngen.
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US 2001 / 0 032 518 A1 offenbart ein Ventilpositioniersystem, das eine oder mehrere Steuermethoden und -vorrichtungen enthält. Mehrere Routinen, um die Anforderungen an die kontinuierliche Wartung, Kalibrierung und Einstellung des Ventils zu erleichtern, sind vorgesehen. Das Positioniersystem kann Druck- und Positionsrückmeldungssignale verwenden, um das Ventil zu überwachen. Das Positioniersystem kann eine automatische Positionierung bereitstellen und in einer manuellen Betriebsart oder einer automatischen Betriebsart arbeiten. Das Positioniersystem kann eine nichtlineare Steuerung der Ventilposition bereitstellen. Das Positioniersystem kann das Ventil charakterisieren, um eine gleichmäßige Positionssteuerung sicherzustellen. Das Positioniersystem kann eine Ventilsteuerung durch Druckrückmeldung bereitstellen, wenn eine Positionsrückmeldung fehlschlägt oder andere Diagnoseprobleme auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bestehenden Lösungen zu überwinden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Das erfindungsgemäße Membranregelventil umfasst ein Membranventil und eine Ventilsteuerung. Das Membranventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Durchflusskanal, eine Membran und einen Aktor auf. Die Membran verhindert, dass Fluid aus dem Durchflusskanal austreten kann oder kontaminiert wird. Die Membran dichtet den Durchflusskanal gegenüber dem Aktor ab.
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Die Ventilsteuerung umfasst zumindest ein Stellglied. Das Stellglied kann einen Stellungsregler und einen Stellungsregelkreis umfassen.
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Gemäß einem Aspekt umfasst die Ventilsteuerung ein Korrekturglied. Die Ventilsteuerung, insbesondere das Korrekturglied, kann eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien vorhalten. Die Korrekturkennlinien können Korrekturinformationen umfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Ventilsteuerung derart eingerichtet sein, dass ein Benutzer eine der Korrekturkennlinien auswählen kann und das Korrekturglied mit der ausgewählten Korrekturkennlinie aus einem vorgegebenen Stellungssollwert einen korrigierten Stellungssollwert ermittelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Stellglied ausgebildet sein, aus dem korrigierten Stellungssollwert eine Stellgröße zu ermitteln und mit der Stellgröße ein Antriebsteil des Membranregelventils, insbesondere einen Aktor, anzusteuern. Der Aktor nimmt basierend auf der Stellgröße eine bestimmte Funktionsstellung ein, wodurch schlussendlich ein Durchfluss des Membranregelventils bestimmt wird.
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Durch die vorstehenden Aspekte wird erreicht, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie aufweist. Die Membranregelventilkennlinie beschreibt das Verhalten des Membranregelventils. Die Membranregelventilkennlinie ist durch die Wahl der Korrekturkennlinie änderbar. Die Membranventilkennlinie bildet die Abhängigkeit des Kv-Wertes vom Hub (bzw. dem Stellungssollwert) des Membranregelventils ab. Unter dem Kv-Wert versteht man den Durchfluss in m3/h von Wasser bei 5 - 30°C, der bei einem Druckverlust von 1 bar durch das Ventil bei dem jeweiligen Hub hindurchtritt. Somit ist der Kv-Wert ein auf die genannten Einheitsbedingungen bezogener Durchfluss. In anderen Worten kann man unter der Membranregelventilkennlinie die Abhängigkeit des Kv-Werts vom Hub des Aktors verstehen. Die Membranregelventilkennlinie wiederum wird aus der Membranventilkennlinie und der Korrekturkennlinie gebildet. Stellventile werden dabei üblicherweise entweder mit einer gleichprozentigen oder mit einer linearen Kennlinie ausgeführt. Die gleichprozentige Kennlinie ist dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Hubänderungen gleiche prozentuale Änderungen des jeweiligen Kv-Werts bedingen. Bei einer linearen Kennlinie bewirken gleiche Hubänderungen gleiche Änderungen des Kv-Werts. Antriebe setzen das Stellsignal, das beispielsweise von einem Stellungsregler oder einem Stellglied kommt, in eine Hubbewegung des Stellventils (Kegelstange mit Ventilkegel) um.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann das Membranregelventil zusätzlich einen Prozessregler umfassen. Insbesondere kann der Prozessregler ein Teil der Ventilsteuerung sein. Der Prozessregler kann ausgebildet sein, aus einem Prozesssollwert und einem Prozessistwert den (vorgegebenen) Stellungssollwert zu ermitteln. Das Membranregelventil ist deshalb vorteilhaft so eingerichtet, dass eine Abweichung des Prozessistwerts vom Prozesssollwert bestimmbar ist, so dass ein Stellungssollwert ermittelt werden kann und schlussendlich die Abweichung ausgeglichen werden kann. Der Stellungssollwert kann basierend auf der ausgewählten Korrekturkennlinie korrigiert werden (als korrigierter Stellungssollwert).
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann der Prozessregler kontinuierlich einen Stellungssollwert an das Korrekturglied ausgeben. Der Stellungssollwert korreliert mit einer Stellung des Membranventils. Dabei liegt der Stellungssollwert in einem Bereich, der einer Ventilstellung zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen entspricht. Ein entsprechender Sensor (bspw. Positionssensor) kann dann die Stellungsistwerte des Membranventils (z.B. eines Aktors des Membranventils) erfassen und ausgeben. Ein Prozesssensor kann einen Prozessistwert erfassen, der zum Prozessregler zurückgeführt werden kann. Der Prozesssensor kann beispielsweise ein Temperaturfühler Pt100 sein, dessen Ausgangssignal zum Prozessregler geführt werden kann. Alternativ kann der Prozesssensor aber auch einen Transmitter umfassen, der ein umgewandeltes bzw. normiertes Sensorsignal an den Prozessregler weiterleitet. Typische Prozesssensoren messen eine physikalische Größe eines Mediums, wie Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit.
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Aufgrund meist nichtlinearer Zusammenhänge zwischen Membranventilstellung und Prozessistwert kann der vom Prozessregler generierte Stellungssollwert mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem korrigierten Stellungssollwert angepasst werden. Die Anpassung geschieht dabei mit Hilfe des Korrekturglieds. Im Korrekturglied können Korrekturwerte (Korrekturkennlinie) basierend auf ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten hinterlegt werden. Mit den Korrekturwerten können unmittelbar am Korrekturglied aus den erhaltenen unkorrigierten (vorgegebenen) Stellungssollwerten korrigierte Stellungssollwerte berechnet werden. Die korrigierten Stellungssollwerte dienen dazu, die NichtLinearitäten der Membranventilkennlinie des Membranventils zu kompensieren, sodass ein lineares Gesamtverhalten der geregelten Anlage erreicht wird. Dadurch wird die Gesamtregelgüte erhöht. Der Korrekturvorgang kann bei Änderungen des Prozesses oder Änderungen oder dem Austausch von Komponenten des Prozessregelkreises erneut begonnen werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann das Membranregelventil einen Stellungsregelkreis umfassen. Der Stellungsregelkreis kann das Stellglied, einen Stellungsregler und einen Sensor, insbesondere einen Positionssensor umfassen. Der Positionssensor kann eingerichtet sein, eine Position (Stellungsistwert) einer den Durchfluss bestimmenden Komponente des Membranregelventils, insbesondere des Aktors, zu bestimmen. Der Positionssensor kann eingerichtet sein, die bestimmte Position (Stellungsistwert) an den Stellungsregler zu übermitteln. Der Stellungsregler kann ferner eingerichtet sein, vom Korrekturglied den korrigierten Stellungssollwert zu erhalten. Der Stellungsregler kann dann derart ausgebildet sein, dass er die Abweichung (Regeldifferenz) des Stellungsistwerts vom korrigierten Stellungssollwert bestimmt und basierend auf der Abweichung (Regeldifferenz) die Stellgröße bereitstellt. Die Stellgröße kann dann vom Stellglied an das Antriebsteil des Membranregelventils, insbesondere den Aktor, ausgegeben werden. Entsprechend der Regeldifferenz zwischen korrigiertem Stellungssollwert und Stellungsistwert kann dann vom Stellsystem z.B. eine Be- bzw. Entlüftung des Membranventils durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Mehrzahl von Korrekturkennlinien eine Korrekturkennlinie für eine lineare Regelcharakteristik des Membranregelventils und/oder zumindest eine weitere Korrekturkennlinie für eine gleichprozentige Regelcharakteristik des Membranregelventils aufweisen. Die Regelcharakteristik der Gleichprozentigkeit kann insbesondere Werte von GP=1:25, 1:33, 1:50, 25:1, 33:1 und/oder 50:1 aufweisen. Vorteilhaft umfasst die Mehrzahl von Korrekturkennlinien alle der genannten Korrekturkennlinien. Die Regelcharakteristik der Gleichprozentigkeit ist beispielsweise in der DIN EN 60534 für Stellventile definiert. Vorteilhaft kann auf diese Weise das Membranventil als Membranregelventil genutzt werden. Bauliche Änderungen am Membranventil sind dabei nicht notwendig.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Mehrzahl von Korrekturkennlinien jeweils Sets von Korrekturkennlinien für verschiedene Membrantypen umfassen. Insbesondere können die Sets jeweils eine Korrekturkennlinie für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie für eine gleichprozentige Regelcharakteristik aufweisen. Dieser Aspekt ermöglicht den schnellen und unkomplizierten Austausch der Membran. Durch einen Wechsel der ausgewählten Korrekturkennlinie kann dem Membranregelventil auf einfache Weise eine (andere) lineare oder gleichprozentige Membranregelventilkennlinie aufgeprägt werden. Ebenso kann ggf. trotz eines Wechsels des Membrantyps die gleiche Membranregelventilkennlinie erhalten werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt können die Sets jeweils Korrekturkennlinien für Membranen umfassen, die insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk (FKM) enthalten. Diese Materialwahl hat sich als besonders geeignet herausgestellt, z.B. um einen hygienischen Durchflusskanal zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Membran einen ersten Teilbereich einer Kanalwand des Durchflusskanals ausbilden. Ein zweiter Teilbereich der Kanalwand kann einen Ventilsitz ausbilden. Die Membran kann in Zusammenwirkung mit dem Ventilsitz einen (freien) Strömungsquerschnitt des Durchflusskanals definieren. Der Aktor kann ausgebildet sein, um die Membran auszulenken und so den Strömungsquerschnitt zwischen einem minimalen Strömungsquerschnitt und einem maximalen Strömungsquerschnitt zu variieren. Diese Ventile sind auch als Tiefsitzmembranventile und Stegsitzmembranventile bekannt. Vorteilhaft kann der minimale Strömungsquerschnitt null sein. Das Ventil ist in diesem Fall geschlossen. Gemäß diesem Aspekt dichtet die Membran den Durchflusskanal gegenüber der Umwelt, insbesondere gegenüber dem Aktor, ab.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der zweite Teilbereich der Kanalwand einen Steg ausbilden. In anderen Worten kann es sich bei dem Membranventil um ein Stegsitzmembranventil handeln.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Stellungsregler Bestandteil eines optional vorhandenen Stellungsregelkreises sein. Dieser umfasst den Stellungsregler, das Stellglied, das Membranventil und einen Positionssensor, die als Stellungsregelkreis in einer geschlossenen Schleife aufgebaut sind. Dabei kann über den Positionssensor beispielsweise die aktuelle Stellung (also der Stellungsistwert bzw. Hub) des (pneumatischen) Antriebs des Membranventils erfasst werden (z.B. des Aktors). Der Stellungsistwert wird vom Stellungsregler mit dem als Normsignal vorgegebenen korrigierten Stellungssollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird diese über das Stellglied ausgeglichen, beispielsweise indem ein pneumatisch betriebener Antrieb be- und entlüftet wird. Auf diese Weise wird die Stellung des Antriebs bis zur Regeldifferenz null verändert. Der Stellungsregelkreis kann ferner in einen Prozessregelkreis integriert sein und so einen untergeordneten Hilfsregelkreis darstellen. Es ergibt sich dadurch eine sogenannte Kaskadenregelung. Der Prozessregelkreis umfasst dann beispielsweise den Prozessregler (optional), den Stellungsregelkreis, und den Prozess, von welchem eine Prozessgröße bzw. ein Prozessparameter beispielsweise mittels des Prozesssensors an den Prozessregler zurückgeführt wird. Liegt eine Regeldifferenz zwischen dem Prozessistwert und dem Prozesssollwert vor, so kann diese im Prozessregelkreis ausgeglichen werden. Der Prozessregelkreis kann in dieser Situation als Hauptregelkreis angesehen werden. Der Prozessregler im Prozessregelkreis kann beispielsweise eine PID-Funktion (Proportional Integral Derivative Controller; Regler mit Proportionalglied, Integrierglied und Differenzierglied) haben. Als Sollwert wird der Prozesssollwert vorgegeben. Über Sensoren und ggf. Transmitter wird der Prozessistwert erfasst. Dieser Prozessistwert wird vom Prozessregler mit dem von ihm vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird der Stellungssollwert für das Korrekturglied verändert. Mithilfe des Korrekturglieds wird der vorgegebene Stellungssollwert anhand einer Korrekturkennlinie in einen korrigierten Stellungssollwert korrigiert, so dass über das Stellsystem der Antrieb des Membranventils eingestellt wird bis sich im Idealfall im Prozessregelkreis die Regeldifferenz null ergibt.
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Vorteilhafterweise wird gemäß einem Aspekt der Erfindung beim Bestimmen von korrigierten Stellungssollwerten basierend auf den ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten eine vollständige Korrekturkennlinie ermittelt. Die Ermittlung kann unabhängig vom einzelnen Membranventil im Rahmen entsprechender Versuchsreihen geschehen. Mehrere resultierende Korrekturkennlinien für Membranen der gleichen Art können dabei gemittelt werden. Dies verbessert die Datenbasis. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung erfolgt also eine Transformation der ermittelten Wertepaare von Stellungsistwerten und Prozessistwerten (in einer Testumgebung) in eine entsprechende Korrekturkennlinie in der Weise, dass die Hintereinanderschaltung von Membranventilkennlinie und Korrekturkennlinie zu einem weitestgehend linearen oder gleichprozentigen Gesamtverhalten führt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich, wobei
- - 1 eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
- - 2 eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke mit Prozessregler gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
- - 3a eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils mit Stellungsregelkreis gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
- - 3b eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils ohne Stellungsregelkreis gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
- - 4 eine vereinfachte Darstellung einer Linearisierung eines Anlagenprozesses gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
- - 5 eine vereinfachte beispielhafte Berechnung einer Korrekturkennlinie gemäß Aspekten der Erfindung zeigt.
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In 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung dargestellt. Die Regelstrecke umfasst die Korrekturkennlinie 120. Die Korrekturkennlinie 120 wird innerhalb des Korrekturglieds 12 dazu genutzt, aus einem vorgegebenen Stellungssollwert CMD einen korrigierten Stellungssollwert CMD* zu ermitteln. Die Regelstrecke umfasst ferner die Membranventilkennlinie 130 und die Anlagenkennlinie 140. Die Membranventilkennlinie 130 und die Korrekturkennlinie 120 bilden zusammen die Membranregelventilkennlinie 150. Ein Membranventil 8 (nicht gezeigt) besitzt eine von seiner Konstruktion abhängige Membranventilkennlinie 130.
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Die Membranventilkennlinie 130 ist von verschiedenen Faktoren abhängig, beispielsweise vom Material und der Form der Membran 40 und von der Form und Oberfläche des Durchflusskanals 41 des Ventilgehäuses 42. Als Membranmaterialien werden z.B. PTFE, EPDM oder FKM verwendet. Bei der Konstruktion des Gehäuses ist insbesondere die Gehäuseart (z.B. Saunderskontur) und die Art der Herstellung des Gehäuses (z.B. Rohrumformgehäuse, Gussgehäuse, etc.) von Belang. Im Gehäuse gibt es herstellungs- und konstruktionsbedingt verschiedene Übergange, Kanten und Vorsprünge, die den Durchfluss Q je nach Stellungsistwert POS beeinflussen. Auch ist die Form der Membranventilkennlinie 130 abhängig von der Nennweite des Ventilgehäuses 42. Daraus resultierend sind die Membranventilkennlinien 130 stark nichtlinear. Die Membranventilkennlinie 130 beeinflusst deshalb in Abhängigkeit des Durchflusses Q die Anlagenkennlinie 140. Aus der Anlagenkennlinie 140 ergibt sich der Prozessistwert PV.
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Während die Membranventilkennlinie 130 durch die Konstruktion bestimmt und daher fest ist, kann die Korrekturkennlinie 120 und damit auch die resultierende Membranregelventilkennlinie 150 erfindungsgemäß von einem Bediener in Abhängigkeit von der der Anlagenkennlinie 140 ausgewählt werden.
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Die Korrekturkennlinien 120, aus denen der Bediener wählen kann, können durch Versuchsreihen experimentell bestimmt, bzw. berechnet werden. Hierzu wird näher im Zuge der Beschreibung von 5 ausgeführt.
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2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung mit einem Prozessregelkreis. Der Prozessregelkreis umfasst einen Prozessregler 20 und einen Prozesssensor 5. Der Prozessistwert PV wird vom Prozess bzw. einer Prozessgröße abgeleitet, beispielsweise ein Druck, eine Temperatur, etc. Die Abweichung zwischen dem Prozesssollwert SP und dem Prozessistwert PV ist die Regeldifferenz Xd2. Die Regeldifferenz Xd2 wird vom Prozessregler 20 ermittelt, welcher einen darauf basierenden (vorgegebenen) Stellungssollwert CMD ausgibt.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Korrekturstufe 12 vorgesehen, die dem herkömmlichen Prozessregler nachgeschaltet ist. Der Output des Prozessreglers 20 steht mit Korrekturglied 12 in Verbindung, an das der vorgegebene Stellungssollwert CMD übermittelt wird. Die Korrekturwerte (bspw. CMD*/CMD) bzw. die vollständige Korrekturkennlinie 120 und/oder deren Parameter werden in dem Korrekturglied 12 abgelegt (gespeichert). Die unkorrigierten (vorgegebenen) Stellungssollwerte CMD werden in dem Korrekturglied 12 in korrigierte Stellungssollwerte CMD* umgewandelt. Aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* und der Membranventilkennlinie 130 ergibt sich dann der resultierende Durchfluss Q des Membranventils 8 entsprechend der Membranregelventilkennlinie 150. Dabei wird basierend auf dem korrigierten Stellungssollwert CMD* von einem Stellglied 16 eine Stellgröße CTRL bereitgestellt (in 2 nicht gezeigt), so dass der korrigierte Stellungssollwert CMD* mittels der Ventilöffnung auf den Prozess einwirkt und damit Einfluss auf den Prozessistwert PV nimmt. Der aktuelle Prozessistwert PV wird vom Prozess abgeleitet, vom Prozesssensor 5 erfasst und auf einen Eingang des Prozessreglers 20 zurückgeführt. Der Prozesssensor kann direkt Signale an den Prozessregler 20 übermitteln oder über einen Transmitter. Der Prozessregler 20 im Prozessregelkreis (Hauptregelkreis) kann in diesem Ausführungsbeispiel eine PID-Funktion haben. Insgesamt wird die Regeldifferenz Xd2 durch den Regelkreis minimiert.
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3a zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils 8 gemäß Aspekten der Erfindung mit einem elektromotorischen oder pneumatischen Antrieb. Gezeigt ist ein Membranventil 8 mit einer zugehörigen Ventilsteuerung, die den Stellungsregler 7 umfasst. Das Membranventil 8 regelt einen Fluidstrom innerhalb eines Durchflusskanals 41. Zumindest ein Parameter des Fluidstroms (beispielsweise Durchflussmenge) wird mittels eines Prozesssensors 5 erfasst. Hierbei handelt es sich dann um den Prozessistwert PV. Zusätzlich umfasst das Membranregelventil auch noch den Positionssensor 9.
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Das Membranventil 8 umfasst einen Stellungsregelkreis 3, der zumindest den Stellungsregler 7, das Stellglied 16, den Positionssensor 9 und den Aktor 43 umfasst. Beim Stellungsregelkreis 3 handelt es sich um einen Hilfsregelkreis, welcher optional vorhanden sein kann. Das Stellglied 16 für den Aktor 43 kann auch Teil des Stellungsreglers 7 sein. Durch den Stellungsregelkreis bzw. durch den Stellungsregler 7 und/oder das Stellglied 16 kann ein Stellsystem gebildet sein, welches auch Ventile zum Be- und Entlüften des Antriebs des Membranventils 8 umfassen kann. Es wandelt die Ausgangsgröße des Stellungsreglers 7 in die entsprechenden Steuergrößen für den Aktor 43 des Membranventils 8 um. Der Positionssensor 9 kann sich auch außerhalb der Vorrichtung befinden. Wie bereits zuvor ausgeführt, erhält der Stellungsregelkreis 3 bzw. der Stellungsregler 7 einen korrigierten Stellungssollwert CMD* vom Korrekturglied 12.
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Der Stellungsregler 7 gibt ein Steuersignal CTRL an den Antrieb des Membranventils 8 aus bzw. an den Aktor 43 des Membranventils 8. Basierend auf dem Steuersignal CTRL wird der Aktor 43 eine bestimmte Funktionsstellung einnehmen, wodurch sich eine bestimmte Ventilöffnung des Membranventils 8 ergibt. Über die Membran 40 und das Gehäuse 42 wirkt das Membranventil 8 mit dem Durchflusskanal 41 zusammen, so dass sich ein resultierender Durchfluss Q ergibt. Mittels eines Positionssensors 9 kann der Stellungsistwert POS des Antriebs des Membranventils 8 ermittelt werden. Der Stellungsistwert POS kann auch durch die Stellung des Aktors 43 definiert sein. Dieser Stellungsistwert POS wird mit dem von außen vom Korrekturglied 12 korrigierten Stellungssollwert CMD* verglichen. So wird vom Stellungsregler 7 eine Regeldifferenz - ermittelt, welche wiederum in ein entsprechendes Steuersignal CTRL für das Prozessventil 8 umgewandelt wird, um vom Stellglied ausgegeben wird.
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In anderen Worten umfasst das Membranregelventil ein Membranventil 8 und eine Ventilsteuerung. Das Membranventil 8 weist ein Ventilgehäuse 42 mit einem Durchflusskanal 41, eine Membran 40 und einen Aktor 43 auf. Die Ventilsteuerung umfasst ein Korrekturglied 12 und den Stellungsregler 7. Optional kann die Ventilsteuerung auch einen Prozessregler 20 aufweisen. Das Korrekturglied 12 hält eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien 120 vor. Die Ventilsteuerung ist derart eingerichtet, dass ein Benutzer mittels der Mensch-Maschine-Schnittstelle 45 und eines Menüs 46 eine der Korrekturkennlinien 120 auswählen kann. Das Korrekturglied 12 ermittelt mit der ausgewählten Korrekturkennlinie 120 korrigierte Stellungssollwerte CMD*. Der Stellungsregler 7 ist ausgebildet, aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* eine Stellgröße CTRL zu ermitteln, wobei die Stellgröße CTRL vom Stellglied 16 genutzt wird, um den Aktor 43 anzusteuern. Dies führt dazu, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie 150 aufweist.
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Insgesamt ergibt sich so eine kaskadenförmige Konfiguration eines Prozessregelkreises mit einem Stellungsregler 7, wie sie auch gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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Die Mehrzahl von Korrekturkennlinien 120 weisen zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine gleichprozentige Regelcharakteristik, insbesondere mit Werten von GP=1:25, 1:33, 1:50, 25:1, 33:1 und/oder 50:1, auf.
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Die Mehrzahl von Korrekturkennlinien 120 umfassen jeweils Sets von Korrekturkennlinien 120 für verschiedene Membrantypen. Die Sets weisen jeweils zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine gleichprozentige Regelcharakteristik auf.
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Die Sets enthalten jeweils Korrekturkennlinien 120 für Membranen 40, die insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylendien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk (FKM) enthalten.
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Die Membran 40 bildet einen ersten Teilbereich einer Kanalwand des Durchflusskanals aus. Ein zweiter Teilbereich der Kanalwand bildet einen Ventilsitz aus. Die Membran 40 definiert zusammenwirkend mit dem Ventilsitz einen Strömungsquerschnitt A des Durchflusskanals 41. Der Aktor 43 ist ausgebildet, um die Membran 40 auszulenken (zu deformieren) und so den Strömungsquerschnitt A zwischen einem minimalen Strömungsquerschnitt und einem maximalen Strömungsquerschnitt zu variieren. Der minimale Strömungsquerschnitt ist null. Das Ventil sperrt dann.
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Der zweite Teilbereich der Kanalwand kann einen Steg ausbilden, so dass es sich demnach um ein Stegsitzmembranventil handeln kann.
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Die durch die Membranventilkennlinie 130 und die Korrekturkennlinie 120 vorbestimmte Membranregelventilkennlinie 150 des Membranregelventils ist linear oder gleichprozentig.
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3b zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils 8 gemäß Aspekten der Erfindung mit einem elektromagnetischen Antrieb. Das Membranventil 8 weist in dieser Ausführungsform keinen Positionssensor 9 auf. Das Membranventil 8 umfasst deshalb vorteilhaft keinen Stellungsregelkreis 3, so dass auf die entsprechenden Komponenten verzichtet wird. Das Stellglied 16 ermittelt aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* das Steuersignal CTRL, das an den Antrieb des Magnetventils ausgegeben wird.
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In 4 ist eine vereinfachte Darstellung einer Linearisierung eines Anlagenprozesses gemäß Aspekten der Erfindung dargestellt. Die Zusammenhänge werden anhand eines Membranventils mit PTFE-Membran erläutert. Zu erkennen ist, dass durch eine geeignete Wahl der Korrekturkennlinie 120a eine Linearisierung des Anlagenprozesses erreicht wird. Eine lineare Prozesskennlinie 160 der Anlage ergibt sich aus der Kombination der Anlagenkennlinie 140a mit der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a. Die PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a, bzw. die entsprechende PTFE-Korrekturkennlinie 120a wird durch den Benutzer aus den vordefinierten PTFE-Korrekturkennlinien 120a ausgewählt. Zur Ermittlung der PTFE-Korrekturkennlinien 120a kann die PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a zur Kompensation der PTFE-Membranventilkennlinie 130a des Membranventils 8 rechnerisch ermittelt werden.
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Im Beispiel werden auf diese Weise PTFE-Korrekturkennlinien für lineares Verhalten und gleichprozentiges Verhalten mit 1:25, 1:33, 1:50, etc. ermittelt. Diese PTFE-Korrekturkennlinien werden zusammen mit den auswählbaren Membranregelventilkennlinien beispielsweise als M-PTFE-LIN, M-PTFE-GP1:25, M-PTFE-GP1:33 etc. (im Korrekturglied 12) hinterlegt.
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Wird von dem Benutzer ein erfindungsgemäßes Membranregelventil mit einer PTFE-Membran ausgerüstet und in einer Anlage mit GP25:1-Verhalten verwendet, so muss lediglich die entsprechende M-PTFE-GP1:25 Membranregelventilkennlinie, bzw. die entsprechende Korrekturkennlinie ausgewählt werden. Aus der Kombination der ausgewählten PTFE-Korrekturkennlinie 120a und der festen PTFE-Membranventilkennlinie 130a ergibt sich eine entsprechende PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a mit gleichprozentualem GP1:25-Verhalten. In Kombination mit dem GP25:1-Verhalten der Anlage entsprechend der Anlagenkennlinie 140a ergibt sich insgesamt ein lineares Verhalten entsprechend der Prozesskennlinie 160 der Anlage.
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In 5 ist eine beispielhafte Berechnung einer Korrekturkennlinie 120 gemäß Aspekten der Erfindung gezeigt. Die Berechnung der Membranregelventilkennlinien wird hier am Beispiel eines Membranventils mit PTFE-Membran erläutert. Messtechnisch werden mehrere PTFE-Membranventilkennlinien 130a mehrerer Membranventile mit PTFE-Membran aufgenommen. Die PTFE-Membranventilkennlinien 130a werden gemittelt, sodass eine nichtlineare gemittelte PTFE-Membranventilkennlinie 130a erzeugt wird. Aus der gemittelten PTFE-Membranventilkennlinie 130a wird eine PTFE-Korrekturkennlinie 120a für lineares Verhalten der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a erzeugt. Nicht dargestellt, aber auf gleichem Wege, können mehrere PTFE-Korrekturkennlinien 120a für gleichprozentiges Verhalten der Membranregelventilkennlinie ermittelt werden. Es werden entsprechend lineare Membranregelventilkennlinien, bzw. Korrekturkennlinien und gleichprozentige Membranregelventilkennlinien, bzw. Korrekturkennlinien, für verschiedene Membranmaterialien vorab erzeugt (berechnet).
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Im Diagramm ist der Durchfluss Q über den Stellungsistwert POS aufgetragen. POS bezeichnet hier die Position des Aktors in Prozent vom Hub und damit ein Maß für die Ventilöffnung. POS = 0% bedeutet, dass der Ventilsitz (vollständig) geschlossen ist. POS = 100% bedeutet, dass das Ventil vollständig geöffnet ist. POS-Werte zwischen 0% und 100% bezeichnen die prozentuale (anteilsmäßige) Position des Aktors, bzw. die prozentuale (anteilsmäßige) Öffnung des Ventilsitzes, jeweils bezogen auf die das maximal geöffnete Ventil. Der Durchfluss Q wird ebenfalls in Prozent aufgetragen. Q = 0% bedeutet, dass der Ventilsitz vollständig geschlossen ist und kein Durchfluss stattfindet. Q = 100% bedeutet, dass maximaler Durchfluss stattfindet. Der Ventilsitz ist bei Q = 100% maximal geöffnet. Werte von Q zwischen 0% und 100% bezeichnen den prozentualen (anteilsmäßigen) Durchfluss bezogen auf den maximalen Durchfluss. Die PTFE-Korrekturkennlinien 120a berechnen sich jeweils über die Inverse (die Umkehrfunktion). Durch die in Bezug auf 4 erläuterte Vorgehensweise ergibt sich ein lineares Verhalten der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Prozesssensor
- 7
- Stellungsregler
- 8
- Membranventil
- 9
- Positionssensor
- 12
- Korrekturglied
- 16
- Stellglied
- 20
- Prozessregler
- 40
- Membran
- 41
- Durchflusskanal
- 42
- Ventilgehäuse
- 43
- Aktor
- 45
- Mensch-Maschine-Schnittstelle
- 46
- Menü
- 120
- Korrekturkennlinie
- 120a
- PTFE-Korrekturkennlinie
- 130
- Membranventilkennlinie
- 130a
- PTFE-Membranventilkennlinie
- 140
- Anlagenkennlinie
- 140a
- PTFE-Anlagenkennlinie
- 150
- Membranregelventilkennlinie
- 150a
- PTFE-Membranregelventilkennlinie
- 160
- Prozesskennlinie
- A
- Strömungsquerschnitt
- CMD
- Vorgegebener Stellungssollwert
- CMD*
- Korrigierter Stellungssollwert
- CTRL
- Stellgröße
- POS
- Stellungsistwert
- PV
- Prozessistwert
- Q
- Durchfluss
- SP
- Prozesssollwert
- Xd2
- Regeldifferenz
