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Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses strömender Medien
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses
strömender Medien, insbesondere gasförmiger Art, bestehend aus einem Stellgerät
und einem Differenzdruckregler, wobei im Regler die Kraft der Sollwertfeder mit
der an der Meßmembran durch Aufschaltung des vom Wirkdruckgeber erzeugten Differenzdruckes
gebildeten Differenzdruckkraft verglichen und abhängig von diesem Vergleich die
Öffnungsstellung des Verstärkerventils beeinflußt wird.
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Bekannte, mit Hilfsenergie arbeitende Gas-Druckregelgeräte sind mit
Reglern versehen, welche den zum Betätigen des Stellgliedes erforderlichen Stelldruck
aus dem Eingangsdruck
bilden und das Arbeitsgas in den Ausgangsraum
abströmen lassen. Hierdurch sind Systeme gegeben, die völlig unabhängig von Fremdenergie
arbeiten und Verlustgas nicht in die Atmosphäre abströmen lassen.
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Neben Reglern für die Ausgangsdruck-Regelung, der an sich häufigsten
Regelaufgabe, finden bekannterweise auch Kombinationsregler Anwendung. Diese ermöglichen
außer einer Ausgangsdruck-Regelung alternativ auch eine Differenzdruck-Regelung.
Die beiden hierzu erforderlichen Regelstufen sind in Reihe geschaltet. Durch diese
Schaltungsweise wird erreicht, d3 sich der Regelvorgang situationsbedingt auf den
Ausgangsdruck oder aber auf den Differenzdruck beziehen kann. Reglerkombinationen
dieser Art finden dann vor allem Anwendung, wenn Zähler vor Überlastung zu schützen
sind oder aber wenn eine Konstant-Einspeisung in nachgeschaltete Rohrleitungssysteme
erreicht werden soll.
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Wird der Differenzdruckregler beispielsweise für die Aufgabengröße
Durchfluß benutzt, ergibt sich der Nachteil, daß zwischen geregeltem Differenzdruck
und dem Jeweiligen Durchfluß ein Zusammenhang besteht, welcher auch von der Höhe
des jeweilligen statischen Druckes am Differenzdruckgeber mitbestimmt wird. Bezogen
auf den Betriebsdurchfluß, ist der Zusammenhang
und, bezogen auf den Normdurchfluß, der Zusammenhang
gegeben. Vorausgesetzt wird hierbei, daß die Gastemperaturen in der Praxis weitgehend
konstant sind. Dem durch die vorstehenden Gleichungen (1) und (2) beschriebenen
physikalischen Zusammenhang läßt sich dadurch begegnen, daß bei Kenntnis des Bereiches,
in welchem sich der statische Druck ändert, sich die Druckdifferenzstufe wie folgt
einstellt: Zur Begrenzung des maximalen Betriebsdurchflusses erfolgt die Einstellung
bei maximalem statischen Druck und zur Begrenzung auf den maximalen Normdurchfluß
bei maximalem statischen Druck. Eine derart ausgebildete Anlage kann also nur bei
einem Druckwert den gewünschten - optimalen - Grenzdurchfluß exakt einhalten. Bei
allen anderen statischen Druckwerten müssen entsprechende Durchflußabweichungen
in Kauf genommen werden.
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Die Funktion derartiger, in der Gas-Regeltechnik verwendeter DifferenzdruckregAer
sei im folgenden kurz erläutert:
Wenn in einem Regler die Sollwertfeder
vorgespannt ist, öffnet sich das zugehörige Verstärkerventil so weit, daß ein Stelldruck
aufgebaut wird. Dieser läßt über ein Stellgerät genau die Gasmenge überströmen,
welche an einem Wirkdruckgeber einen dem vorgegebenen Sollwert entsprechenden Differenzdruck
erzeugt. Im Regler wird also die Kraft F5 der Sollwertfeder mit der den Durchfluß
repräsentierenden Kraft, etwa Fdp, verglichen, welche ihrerseits durch den auf die
Meßmembran mit ihrer Fläche, etwa A1, wirkenden Differenzdruck a p gebildet ist.
Für den Gleichgewichtszustand gilt die Bedingung F5 = Fap. Die Höhe des statischen
Druckes, welchem der Differenzdruck überlagert ist, ist dabei sekundärer Natur,
da sich durch die beidseitige Beaufschlagung der Fläche A1 der Meßmembran die Kräfte
aufheben.
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Wie schon erwähnt, verändert sich aufgrund physikalischer Zusammenhänge
auch bei konstant gehaltenem Differenzdruck ap an einer Blende der Durchfluß q,
wenn sich der statische Druck p ändert. Es ist jedoch durchaus denkbar, mit der
Änderung des statischen Druckes p gleichzeitig auch eine Anderung des Sollwertes
um den Betrags p zu erreichen und damit den Durchfluß konstant zu halten.
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Systeme dieser Art sind bekannt. So kann beispielsweise
das
Ausgangssignal einer Durchfluß-Meßvorrichtung dazu benutzt werden, um über einen
elektrischen Regler und einen nachgeschalteten Stellmotor die erforderliche Sollwertänderung
p zu erzielen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Sollwertänderung
p nicht etwa durch Zwischenschaltung von Fremdenergien, sondern durch den sich ändernden
statischen Druck unmittelbar zu erreichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, daß zwischen der
Meßmembran und der Sollwertfeder eine weitere Membran angeordnet ist, deren wirksame
Fläche für die Regelung eines konstanten Betriebsdurchflusses der Bedingung A2 =
A1 . #P1 (6) p1 und für die Regelung eines konstanten Normdurchflusses der Bedingung
A2 = A1 . dP1 (7) P2 entspricht, wobei
A1 = wirksame Fläche der
Meßmembran, A2 = wirksame Fläche der Zusatzmembran.
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P1 = Anfangs-Differenzdruck, P1 = statischer Anfangsdruck(bei Regelung
eines konstanten Betriebsdurchflusse) und p2 = statischer Enddruck (bei Regelung
eines konstanten Normdurchflusses) ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung gilt für den Gleichgewichtszustand
des Reglers jetzt F5 + Fp =F#p. Die neue Kraft Fp ändert sich mit der Höhe des statischen
Druckes um p = A2 . (p2 - p1). Diese Kraftänderung #Fp ist gleichbdeutend einer
Sollwertänderung und bedingt für den Gleichgewichtszustand die gew nschte Änderung
der Differenzdruckkraft f#p um den Betrag #Fp=##p . A1. Somit gilt: #Fp = #F#p A2
. (P2- P1 ) = ## p . A1 (3) Für die Größenbestimmung der Zusatzmembran sowie für
ihre
Wirkungsrichtung ist die Kenntnis der erforderlichen Sollwertänderung ##p notwendig.
Diese Größe läßt sich aus den Gleichungen (1) und (2) wie folgt ableiten (Indizierung:
1 = Anfangszustand; 2 = Endzustand): Konstanter Betriebsdurchfluß
Konstanter Normdurchfluß
Das negative Vorzeichen besagt, daß bei der Normdurchfluß-Regelstufe die Wirkungsrichtung
der Zusatzmembran so zu wählen ist, daß sich mit steigendem statischen Druck ein
Absinken des Soll-Differenzdruckes ergibt.
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Bei Substitution der Gleichungen (4) bzw. (5) in die Gleichung (3)
ergibt sich für die Fläche A2 der Zusatzmembran folgende Abhängigkeit: Konstanter
Betriebsdurchfluß A2 = A1 p1 (6) Konstanter Normdurchfluß #P1 A2 = A1 . (7) P2
Die
wirksame Fläche A2 der Zusatzmembran läßt sich also in Abhängigkeit von der Fläche
A1 der Meßmembran, vom Anfangsdifferenzdruckdp7 sowie vom statischen Anfangsdruck
p1 (bei Regelung eines konstanten Betriebsdurchflusses) bzw. vom statischen Enddruck
p2 (bei Regelung eines konstanten Normdurchflusses) bestimmen.
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Bei wechse]nden Betriebsdaten besteht selbstverständlich die Möglichkeit,
anstelle ständiger Neu-Anpassung die Zusatzfläche A2 beizubehalten und ihre Kraftwirkung
auf den Gleichgewichtszustand des Reglers durch ein geeignetes verstellbares Ubersetzungssystem
den Erfordernissen anzupassen.
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Mit der vorgeschlagenen Erfindung geht der Vorteil einder, daß ein
mit diesem Differenzdruckregler mit Zusatzmembran ausgerüstetes Regelgerät weiterhin
völlig unabhängig von Fremdenergie arbeitet und wahlweise die Regelung eines konstanten
Betriebs- oder aber eines konstanten Normdurchflusses ermöglicht. Es besteht zudem
die Möglichkeit, durch Wahl des Flächenverhältnisses der Membranen (Zusatzmembran
: IleEmembran) den Durchfluß in einer bestimmten vorwählbaren Abhängigkeit zum statischen
Druck zu regeln.
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Hinsichtlich der apparativen Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung
besteht auch dif Möglichkeit, das Differenzdruck-Mesystem aus zwi Membranen unterschiedlicher
Fläche herzustellen. Die Flächendifferenz läßt sich dabei entsprechend der Größe
A2 der Zusatzmembran wählen. Durch diesen konstruktiven Kunstgriff ist eine reibungsbehaftete
und damit regelungstechnisch ungünstige Ventilstangenabdichtung am Regler entbehrlich.
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In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt: Dem Regler
1 ist über eine Stelldruckleitung la ein Stellgerät 2 nachgeschaltet, welches seinerseits
in der Rohrleitung 2a und 2b angeordnet ist. In der Rohrleitung 2a (oder 2b) ist
zudem ein Wirkdruckgeber, z.B. eine Blende 3, angeordnet. Mittels der Rohrleitungen
3a und 3b wird die am Wirkdruckgeber 3 gebildete Druckdiferenz dP der Meßmembran
6 zugeführt. Die Rohrleitung 2a (oder 2b) steht ferner über die Leitung Ib (bei
Regelung des Betriebsdurchflusses) oder die Leitung lc (bei Regelung des Normdurchflusses)
mit dem Regler 1 in Wirkverbindung.
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Uber diese Leitungen wird der statische Druck in der Rohrleitung 2a
oder 2b auf die Zusatzmembran 7 geschaltet.
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Schließlich steht die Rohrleitung 2b vor dem Stellgerät 2 über eine
Leitung ld mit dem Regler 1 in Verbindung.
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Die Meßmembran 6 ist über eine verschiebbare Stange 6a mechanisch
mit einem Verstärkerventil 5 gekoppelt. In derselben Weise ist die Membran 6 über
die Stange 7a mit der Zusatzmembran 7 verbunden, auf welche die Sollwertfeder 4
mit der Kraft Fs wirkt. Mit Fp ist die durch Wirkung des statischen Druckes auf
die Membran 7 erzeugte veränderliche Zusatzkraft symbolisiert. Die den Durchfluß
repräsentierende Kraft Fzp wird mit der Summe der Kräfte F5 und Fp verglichen.