DE2509424A1 - SENSOR FOR A THERMOSTATIC SYSTEM - Google Patents

Description

Fühler für ein thermostatisches SystemSensor for a thermostatic system

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühler für ein thermostatisches System mit einer sich bei Erwärmung ausdehnenden Füllung.The invention relates to a sensor for a thermostatic System with a filling that expands when heated.

Fühler der hier betrachteten Art sind entweder mit einer Ausdehnungsflüssigkeit, wie Toluol oder einem anderen flüssigen Kohlenwasserstoff, oder mit einem festen Dehnstoff, wie Wachs oder Kunststoff, gefüllt. Die Vorteile des flüssigkeitsgefüllten Fühlers liegen darin, daß er über ein Kapillarrohr mit dem thermostatischen Arbeitselement und gegebenenfalls einer Sollwert-Einstellvorrichtung verbunden werden kann, so daß die Lage des Fühlers verhältnismäßig frei gewählt werden kann. Die Vorteile des mit einem festen Dehnstoff gefüllten Fühlers liegen hauptsächlich darin, daß für eine vorgegebene Volumenänderung ein vergleichsweise kleines Fühlervolumen genügt. Allerdings muß ein solcher Feststoff-Fühler unmittelbar als Arbeitselement verwendet werden. Um dies zu vermeiden, ist es auch schon bekannt, den Fühler nahezu vollständig mit einzelnen festen Polyäthylen-Körpern als Dehnstoff zu füllen und da3 übrige thermostatische System sowie die Hohlräume zwischen diesen Körpern mit Glyzerin als hydraulischer Übertragungsflüssigkeit zu versehen.Sensors of the type considered here are either with an expansion liquid, such as toluene or another liquid hydrocarbon, or with a solid expandant such as wax or plastic, filled. The advantages of the liquid-filled sensor are that it is connected to the thermostatic working element and, if necessary, a setpoint setting device can be connected so that the position of the sensor can be chosen relatively freely. The advantages of the sensor filled with a solid expansion material are mainly due to the fact that for a given change in volume a comparatively small sensor volume is sufficient. However, such a solid matter sensor must be used directly as a working element will. To avoid this, it is already known to almost completely cover the sensor with individual solid polyethylene bodies to fill as expansion material and the rest of the thermostatic To provide the system and the cavities between these bodies with glycerine as a hydraulic transmission fluid.

Wenn derartige thermostatische Systeme in einem üblichen Regelkreis eingesetzt werden, z.B. zur Betätigung eines Heizkörperventils in einem Raum, dessen Temperatur annähernd konstant gehalten werden soll, dann zeigt es sich, daß es praktischWhen such thermostatic systems in a common control loop can be used, e.g. to operate a radiator valve in a room where the temperature is almost constant is to be held, then it turns out to be practical

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unmöglich ist, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem das Stellglied des Arbeitselements bei einer Änderung der Verhältnisse, z.B. der Sollwert-Einstellung, sich rasch, aber trotzdem ohne Überschwingen seiner neuen Stellung nähert.it is impossible to achieve a control behavior in which the actuator of the working element when the conditions change, e.g. the setpoint setting, approaches its new position quickly, but still without overshooting.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fühler der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der es auf einfache Weise erlaubt, ein Regelverhalten zu erzielen, bei dem ein Überschwingen weitgehend vermieden wird, trotzdem aber ein rasches Ansprechen sichergestellt ist.The invention is therefore based on the object of specifying a sensor of the type described at the outset which can be used in a simple manner allows to achieve a control behavior in which an overshoot is largely avoided, but nevertheless a rapid one Response is ensured.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Füllung aus zwei verschiedenen Dehnstoffen besteht, und daß die Ausdehnungs-Zeit-Kurve des zweiten Dehnstoffes im Fühler in seinem Arbeitsbereich eine größere Zeitkonstante hat als der erste Dehnstoff.This object is achieved according to the invention in that the filling consists of two different expansion materials, and that the The expansion-time curve of the second expansion material in the sensor has a greater time constant than the one in its working area first stretch fabric.

Der erste Dehnstoff spricht zwar rasch an, so daß sich das Stellglied der erforderlichen neuen Stellung rasch nähert. Da der erste Dehnstoff aber nur einen Teil der Volumenänderung bewirkt, die restliche Volumenänderung durch den zweiten Dehnstoff aber langsamer und mit einer gewissen Verzögerung erfolgt, wird das Stellglied allmählich in seine neue Stellung geführt. Überschwingungen sind daher wesentlich geringer und können bei entsprechender Wahl der Dehnstoffe völlig unterbunden werden. Man erhält daher eine Regelung ähnlich einer Proportional-Integral-Regelung und damit ein stabileres Regelsystem.The first expansion material responds quickly, so that the actuator rapidly approaches the required new position. Since the first expansion material only causes part of the volume change, the rest of the volume change due to the second expansion material takes place more slowly and with a certain delay, that is The actuator gradually moved into its new position. Overshoots are therefore much lower and can be achieved with the appropriate Choice of stretch fabrics are completely prevented. A control similar to a proportional-integral control is therefore obtained and thus a more stable control system.

Besonders günstig ist es, wenn der erste Dehnstoff eine Ausdehnungsflüssigkeit mit kleiner Zeitkonstante, wie Toluol, ist und der zweite Dehnstoff eine etwa 2 bis 4 Mal so große Zeitkonstante hat. Eine derartige Ausdehnungsflüssigkeit führt zu einem ausreichend raschen Ansprechen. Die angegebene Zeitkonstante des zweiten Dehnstoffes reicht aus, um Üb er schwingungen wirksam zu mindern oder zu verhindern. Unter Ausdehnungsflüssigkeit im Sinne dieser Lehre werden nur solche Flüssigkeiten verstanden, die einen technisch brauchbaren volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten haben, der in der Regel über 0,0008 liegt.It is particularly favorable if the first expansion material is an expansion fluid with a small time constant, such as toluene, and the second expansion material is about 2 to 4 times as large a time constant Has. Such an expansion fluid leads to a sufficiently rapid response. The specified time constant of the The second expansion material is sufficient to effectively reduce or prevent excessive vibrations. Under expansion fluid in the For the purposes of this teaching, only liquids are understood that have a technically useful volumetric expansion coefficient which is usually above 0.0008.

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Zweckmäßigerweise sind die Mengen der beiden Dehnstoffe mit Bezug auf ihren Ausdehnungskoeffizienten so bemessen, daß die Volumenänderung des zweiten Dehnstoffes etwa 30 bis 70 %, vorzugsweise etwa 50 %, der gesamten Volumenänderung des Fühlers beträgt· Durch die Wahl dieses Anteils der Volumenänderung hat man bei gegebenem ersten und zweiten Dehnstoff einen weiteren Parameter zur Verfügung, um eine Anpassung an einen gewünschten Regelkreis vorzunehmen.Appropriately, the quantities of the two expansion materials with regard to their expansion coefficients are dimensioned so that the volume change of the second expansion material is about 30 to 70 %, preferably about 50%, of the total volume change of the sensor first and second expansion material available a further parameter to make an adjustment to a desired control loop.

Mit besonderem Vorteil ist der zweite Dehnstoff ein Wachs. Ein solches Wachs hat nicht nur die gewünschte größere Zeitkonstante, sondern es hat im Arbeitsbereich, also innerhalb seines Schmelzbereichs, eine Volumenänderung, die ein Mehrfaches der Volumenänderung der üblichen Ausdehnungsflüssigkeit beträgt. Beispielsweise ist sie 8fach größer als diejenige des Toluol. Man kommt daher mit einem verhältnismäßig geringen Wachsvolumen von beispielsweise 4 bis 25 % des Volumens der Füllung aus. Für ein gegebenes Ausdehnungsvolumen kann der Fühler insgesamt kleiner gehalten werden. Da Wachs oberhalb des Schmelzbereichs keine Ausdehnung mehr erfährt, kann die Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung, die das bei Übertemperatur auftretende Zusatzvolumen aufzunehmen hat, kleiner ausgelegt werden. Umgekehrt spielt die bei einer Wachsfüllung auftretende Hysterese nur noch eine untergeordnete Rolle, weil die AusdehnungsflUssigkeit auch bei kleinen Temperaturänderungen noch für eine Verstellung des Stellglieds sorgt.The second expansion material is a wax with particular advantage. Such a wax not only has the desired larger time constant, but it also has a change in volume in the working area, i.e. within its melting range, which is a multiple of the change in volume of the usual expansion fluid. For example, it is 8 times greater than that of toluene. A relatively small wax volume of, for example, 4 to 25 % of the volume of the filling is therefore sufficient. For a given expansion volume, the sensor can be kept smaller overall. Since wax no longer expands above the melting range, the excess temperature safety device, which has to accommodate the additional volume that occurs in the event of excess temperature, can be designed to be smaller. Conversely, the hysteresis that occurs with a wax filling only plays a subordinate role, because the expansion fluid still adjusts the actuator even with small temperature changes.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Dehnstoff als aus wenigen Stücken, vorzugsweise nur einem Stück bestehender Körper in der Flüssigkeit angeordnet. Temperaturänderungen müssen daher wenigstens teilweise über die Flüssigkeit auf die Oberfläche des einstückigen Körpers und von dieser in das Innere des Körpers übertragen werden. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Verzögerungen, die ebenfalls im Sinne eines besseren Regelverlaufs in das Regelverhalten eingehen. Man kann auch auf andere •Weise Verzögerungsstrecken einbauen, beispielsweise durch Einbau einer Wärmeisolierschicht zwischen den beiden Dehnstoffen.In a preferred embodiment, the second expansion material is made up of a few pieces, preferably only one piece Body arranged in the liquid. Changes in temperature must therefore at least partially via the liquid on the Surface of the one-piece body and transferred from this into the interior of the body. This results in additional Delays, which are also included in the control behavior in the sense of a better control process. One can also apply to others • Install delay lines in a wise manner, for example by installing them a thermal insulation layer between the two stretch fabrics.

IS U y B 6 7 / U B 3 L₁ IS U y B 6 7 / UB 3 L ₁

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fühlers in Verbindung mit dem zugehörigen thermostatischen System undFig. 1 shows an embodiment of the sensor according to the invention in connection with the associated thermostatic System and

Fig. 2 ein Weg-Zeit-Diagramm für das Stellglied.2 shows a path-time diagram for the actuator.

Fig. 1 zeigt einen Fühler 1, ein Arbeitselement 2 und eine Sollwert-Einstellvorrichtung 3, die untereinander über Kapillarrohre 4 verbunden sind.Fig. 1 shows a sensor 1, a working element 2 and a Setpoint setting device 3, which are connected to one another via capillary tubes 4.

Der Fühler 1 hat ein Gehäuse 5, das zum überwiegenden Teil mit einem ersten Dehnstoff 6, nämlich einer Ausdehnungsflüssigkeit, hier Toluol, und im übrigen mit einem zweiten Dehnstoff 7 in Gestalt eines einstückigen Wachskörpers, der von einer elastischen Hülle 8 umgeben ist, gefüllt ist.The sensor 1 has a housing 5, which for the most part with a first expansion material 6, namely an expansion liquid, here toluene, and otherwise with a second expansion material 7 in Shape of a one-piece wax body, which is surrounded by an elastic cover 8, is filled.

Das Arbeitselement 2 weist ein Gehäuse 9 auf, in welchem ein Stellglied 10, hier mit einem Verschlußstück 11 für ein Ventil, verschiebbar gehalten ist. Der Innenraum 12 ist mittels eines Wellrohres 13 zur Atmosphäre hin abgedichtet. Volumenänderungen im Fühler werden über die Flüssigkeit im Kapillarrohr 4 auf dieses Stellglied 10 übertragen.The working element 2 has a housing 9 in which an actuator 10, here with a closure piece 11 for a valve, is held displaceable. The interior 12 is sealed off from the atmosphere by means of a corrugated pipe 13. Volume changes in the sensor are transmitted to this actuator 10 via the liquid in the capillary tube 4.

Die Sollwert-Einstellvorrichtung 3 hat ein Gehäuse 14, in welchem mittels eines Wellrohres 15 ein Flüssigkeitsraum 16 abgegrenzt ist. Dieser Raum läßt sich durch axiale Verstellung des Schaftes 17 verändern. Zum Zweck dieser axialen Verstellung ist ein axial festgehaltener Drehknopf 18 mit seinem Gewinde 19 auf den Schaft 17 aufgeschraubt. Diese Einstellvorrichtung ist mit einer Übertemperatur-Sicherheitsvorrichtung kombiniert, die im wesentlichen aus einer Feder 20 besteht, welche sich einerseits am Gehäuse 14 und andererseits an einer Hülse 21 abstützt. Wenn sich infolge Übertemperatur die Ausdehnungsflüssigkeit 6 zu stark ausdehnt, wird der Schaft 17 nach oben gedrückt, wodurchThe setpoint setting device 3 has a housing 14 in which a liquid space 16 is formed by means of a corrugated pipe 15 is delimited. This space can be changed by adjusting the shaft 17 axially. For the purpose of this axial adjustment an axially held rotary knob 18 is screwed with its thread 19 onto the shaft 17. This adjuster is combined with an overtemperature safety device, which consists essentially of a spring 20, which on the one hand is supported on the housing 14 and on the other hand on a sleeve 21. If the expansion fluid 6 expands too much, the shaft 17 is pushed upwards, whereby

über die Feder 21 die Sicherheitsfeder 20 zusammengepreßt werden kann.The safety spring 20 can be compressed via the spring 21.

In Fig. 2 ist über der Zeit t der Weg s aufgetragen, den das Stellglied 10 durchläuft, wenn der Sollwert plötzlich um einen vorgegebenen Betrag geändert worden ist. Die gestrichelte Kurve gilt für den Fall, daß der gesamte Fühler mit einer Ausdehnungsflüssigkeit, wie Toluol, gefüllt ist. Man ersieht, daß das Stellglied rasch auf den Endwert zubewegt wird, daß aber ein Überschwingen stattfindet, bei einem zu beheizenden Raum also die Raumtemperatur zu hoch wird, worauf das Stellglied wieder zurückbewegt wird u.s.w. Wird dagegen der zweite Dehnstoff mit größerer Zeitkonstante zusätzlich im Fühler verwendet, ergibt sich die voll ausgezogene Kennlinie. Sie hat zu Beginn denselben raschen Anstieg wie die gestrichelte Kurve, biegt dann aber asymptotisch zum Endwert hin ab. Dies ergibt ein sehr stabiles Regelverhalten.In Fig. 2, the path s is plotted over the time t, which the actuator 10 traverses when the setpoint suddenly by one specified amount has been changed. The dashed curve applies in the event that the entire sensor is filled with an expansion liquid such as toluene. You can see that Actuator is quickly moved towards the final value, but that overshoot takes place, so in a room to be heated the room temperature becomes too high, whereupon the actuator is moved back again, etc. If, on the other hand, the second stretch material is included If a larger time constant is also used in the sensor, the result is the fully drawn-out characteristic. It has the same at the beginning rapid rise like the dashed curve, but then turns asymptotically towards the end value. This gives a very stable one Control behavior.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde als erster Dehnstoff Toluol verwendet, das einen volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten von 1 . 10""V⁰C hat. Als zweiter Dehnstoff diente eine Wachsart, die einen volumetrisehen Ausdehnungskoeffizienten von 8 · 10" /⁰C hat. Dieses Wachs hat demnach einen etwa 8fach größeren Ausdehnungskoeffizienten als das Toluol. Das Wachsvolumen betrug etwa 14 % des gesamten Fühlerinhalts; demzufolge ergab sich ein Volumen von 86 % für die Ausdehnungsflüssigkeit. Hierbei übernimmt das Wachs innerhalb des Arbeitsbereichs von 25 bis 30⁰C einen Anteil der Volumenänderung von 57 %. Die Zeitkonstanten der Ausdehnungs-Zeit-Kurven der beiden Dehnstoffe im Fühler hängen einerseits von Stoffkonstanten, wie speziell Wärme und Wärmeleitung, andererseits aber auch von den gewählten Verhältnissen, wie Anordnung im Fühler oder Oberflächenform, ab. Beispielsweise hat eine Wachskugel eine größere Zeitkonstante als ein Wachszylinder. Im vorliegenden Fall war die Zeitkonstante für das Wachs rund 3,5 mal so groß wie die Zeitkonstante für das Toluol.In the illustrated embodiment, toluene was used as the first expansion material, which has a volumetric expansion coefficient of 1. 10 "" V ⁰ C has. As the second expansion material, a type of wax that has a volumetrisehen expansion coefficient of 8 x 10 "/ ⁰ C served This wax accordingly has an approximately 8-fold greater coefficient of expansion than the toluene The wax volume was about 14% of the total sensor content;.. Consequently resulted in a volume of 86 % for the expansion liquid. Here, the wax takes over a portion of the volume change of 57 % ^{within the working range of 25 to 30 °} C. The time constants of the expansion-time curves of the two expansion materials in the sensor depend on the one hand on material constants, such as especially heat and heat conduction On the other hand, it also depends on the chosen conditions, such as the arrangement in the sensor or surface shape. For example, a wax ball has a greater time constant than a wax cylinder. In the present case, the time constant for the wax was around 3.5 times as large as the time constant for the Toluene.

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Claims (6)

- 6 Patentansprüche - 6 claims Fühler für ein thermostatisches System mit einer sich bei Erwärmung ausdehnenden Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus zwei verschiedenen Dehnstoffen besteht und daß die Ausdehnungs-Zeit-Kurve des zweiten Dehnstoffes (7) im Fühler in seinem Arbeitsbereich eine größere Zeitkonstante hat als der erste Dehnstoff (6).Sensor for a thermostatic system with a filling that expands when heated, characterized in that the filling consists of two different expansion materials and that the expansion-time curve of the second expansion material (7) has a greater time constant in the sensor in its working area than the first expansion material (6). 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dehnstoff (6) eine Ausdehnungsflüssigkeit mit kleiner Zeitkonstante, wie Toluol, ist und der zweite Dehnstoff (7) eine etwa 2 bis 4 Mal so große Zeitkonstante hat.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the first expansion material (6) is an expansion fluid with a small time constant, such as toluene, and the second expansion material (7) has a time constant about 2 to 4 times as large. 3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der beiden Dehnstoffe (6, 7) mit Bezug auf ihren Ausdehnungskoeffizienten so bemessen sind, daß die Volumenänderung des zweiten Dehnstoffes etwa 30 bis 70 %, vorzugsweise etwa 50 %, der gesamten Volumenänderung des Fühlers beträgt.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of the two expansion materials (6, 7) are dimensioned with respect to their expansion coefficient so that the volume change of the second expansion material is about 30 to 70 %, preferably about 50 % total change in volume of the sensor. 4. Fühler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dehnstoff (7) ein Wachs ist.4. Sensor according to one of claims 1-3, characterized in that the second expansion material (7) is a wax. 5. Fühler nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachsvolumen 4 bis 25 % des Volumens der Füllung beträgt.5. Sensor according to claim 2 and 4, characterized in that the wax volume is 4 to 25 % of the volume of the filling. 6. Fühler nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dehnstoff (7) als aus wenigen Stücken, vorzugsweise nur einem Stück bestehender Körper in der Flüssigkeit (6) angeordnet ist.6. Sensor according to one of claims 2-5, characterized in that the second expansion material (7) as a few pieces, preferably only a piece of existing body is arranged in the liquid (6). 609837/0834609837/0834