DE4328617A1

DE4328617A1 - Stellgerät mit Hilfssteuerung

Info

Publication number: DE4328617A1
Application number: DE4328617A
Authority: DE
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2013-08-26
Also published as: DE4328617C2; JPH0781690A

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellgerät mit Hilfssteuerung zur Regelung des Stromes kompressibler oder inkompressibler Fluide abhängig von Regelgrößen wie Druck, Druckdifferenz, Durchfluß menge, Temperatur, welche einem Hilfssteuerventil der Hilfssteue rung aufgegeben werden, wobei die Hilfssteuerung auf den Antrieb eines Stellventiles des Stellgerätes im Fluidstrom wirkt.

Regler ohne Hilfsenergie und Stellgeräte großer Nennweite werden oft hilfsgesteuert, und zwar nicht nur bei Druck-, Differenz druck-, Durchfluß- und Temperaturreglern ohne Hilfsenergie, son dern auch bei elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betriebe nen Stellgliedern für strömende Fluide.

Die Stellgeräte mit Hilfssteuerung sind dabei üblicherweise als Druckteilerschaltung aufgebaut. Dabei ist zwischen einen Zuström raum und einen Abströmraum ein gegebenenfalls druckentlastetes Stellventil geschaltet, das durch einen Membranantrieb verstellt wird. Eine Impulsleitung führt von dem Zuströmraum zu einem Hilfssteuerventil und von diesem einerseits zu einer einstell baren Drossel, andererseits zum Antrieb für das Stellventil geschaltet, das durch einen Membranantrieb verstellt wird. Eine Impulsleitung führt von dem Zuströmraum zu einem Hilfssteuerven til und von diesem einerseits zu einer einstellbaren Drossel, andererseits zum Antrieb für das Stellventil. Das Hilfssteuerven til kann, je nach Aufgabe des Gesamtsystems, eine beliebige Meß größe als Eingangsgröße verarbeiten. Verwendet man als Hilfs steuerventil ein elektrisches Stellgerät, erhält man ein elek trisch ansteuerbares Stellgerät, das große Durchflüsse im Stell ventil mit geringer Leistung am Hilfssteuerventil verstellen kann. Die Drossel ist weiterhin so geschaltet, daß an ihr die Druckdifferenz zwischen Wirkfläche und Lastfläche des Membranan triebes liegt, das heißt, im Falle eines entlasteten Stellven tiles wird an der Drossel der Druck Lastkraft pro Wirkfläche der Membran angebaut. Fällt nun der Istwert bzw. öffnet das Hilfs steuerventil, so steigt der Differenzdruck an der Drossel und das Stellventil wird geöffnet.

Dieses Wechselspiel setzt nicht nur eine statische, sondern auch eine dynamische Abstimmung des Gesamtsystems voraus.

Messungen zeigen, daß die Anwendung eines üblichen Drosselstell gerätes als Stellorgan der Hilfssteuerung nur bei schnellen Regelaufgaben, das heißt, bei Druck-, Differenzdruck-, oder Men genregelung ohne Hilfsenergie zu befriedigenden Ergebnissen führt. Wenn nämlich infolge geänderter Vordrücke oder unter schiedlicher Abnahmen aus dem Abströmraum sich die Druckverhält nisse im Stellgerät ändern, müssen diese über den Hilfssteuer kreis unmittelbar nachgeregelt werden. Dies ist zwar bei Druck- und Differenzdruckregelungen ohne weiteres möglich, beispiels weise bei Temperaturregelungen ohne Hilfsenergie oder ganz allge mein bei elektrischen Regelungen jedoch, die relativ langsam erfolgen, da die Information über die Störungen entweder aufgrund verzögerter Erfassung des Meßwertes über Tauchhülsen oder der gleichen oder wegen der begrenzten Stellgeschwindigkeit des Antriebes nur verzögert weitergegeben werden, kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen der Meß- und der Stellgröße, die letztlich zu Instabilität und Dauerschwingungen des Systems führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Stellgerät mit Hilfs steuerung zu schaffen, bei dem sich Druckänderungen im Stellven til nicht oder nur stark verringert im Stellkreis des Hilfs steuerventils auswirken.

Diese Aufgabe wird von einem Stellgerät mit Hilfssteuerung der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist als Hilfssteuerventil ein Volumenstromregler vorgesehen, dessen Wirkdruckgeber zur Einstellung des Volumen stromes verstellbar ist, wobei der Verstellweg gemäß den auf einen Stellantrieb für den Wirkdruckgeber aufgegebenen Regel größen bestimmt ist. Volumenstromabhängige Steuerungen sind an sich bekannt und beispielsweise im Typenblatt 3035 der Firma Sam son beschrieben. Gemäß der Erfindung ist nun der Wirkdruckgeber, beispielsweise als Blendenkegel ausgebildet, entsprechend der Regelaufgabe im Sinne einer Stellgröße verstellbar. Am Wirkdruck geber greift also ein elektrischer Stellantrieb, ein Thermostat bei der Temperaturregelung ohne Hilfsenergie oder eine sonstige Stellgröße ein. Der Volumenstromregler hält, wenn er gemäß der Erfindung als Hilfssteuerventil eingesetzt wird, den Volumenstrom im Hilfszweig konstant, unabhängig von den anstehenden Drücken.

(Bei herkömmlichen Steuerungen ist der Volumenstrom an der Dros sel proportional der Wurzel aus dem Differenzdruck). Die beschriebenen Druckänderungen, die von Volumenstromänderungen im Zuströmraum, im Stellventil oder im Abströmraum herrühren, haben somit keinen störenden Einfluß auf die Hubstellung des Stellven tils. Erst wenn der Wirkdruckgeber verstellt wird, ändern sich die Druckverhältnisse und damit die Hubstellung des Stellventi les. Die dynamische Stabilität des übergeordneten Regelkreises wird aber nicht mehr durch das unterlagerte Stellsystem beein trächtigt, da dieses für feste Stellungen des Blendenkegels ohne Dauerschwingungen arbeitet.

Im allgemeinen wird das Stellgerät mit Hilfssteuerung im Hilfs steuerkreis eine Drossel aufweisen, die nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer vom Zuströmraum zum Abströmraum des Stellventiles führenden Impulsleitung angeordnet ist, und zwar wahlweise dem Hilfssteuerventil vor- oder nachge schaltet.

Die Verstärkung im Hilfssteuerkreis kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vielzahl von Maßnahmen beeinflußt werden.

Bevorzugt ist es, wenn der Wirkdruckgeber einen Blendenkegel auf weist, wobei die Formgebung und/oder Neigung des Kegelmantels je nach gewünschter Charakteristik der Kreisverstärkung im Hilfs steuerkreis festlegbar sind. Die Wahl der Formgebung und/oder Neigung kann dabei im Wechselspiel mit der Dimensionierung bzw. Ausgestaltung der übrigen Baukomponenten im Hilfssteuerkreis vor genommen werden.

So ist es denkbar, daß die Drossel fest einstellbar, wahlweise verstellbar oder abhängig vom Durchfluß durch den Volumenstrom regler verstellbar ist.

Ebenso kann vorgesehen sein, daß die Stellfeder des Volumenstrom reglers einen festen oder einstellbaren Federbereich hat.

Schließlich kann erfindungsgemäß am Volumenstromregler eine Ein richtung zum Ausführen einer zusätzlichen Funktion, beispiels weise einer Druckregelung, vorgesehen sein.

Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stellgerätes mit Hilfssteuerung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Volumenstromreglers, der in dem Stellgerät nach Fig. 1 verwendet werden kann; und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stellgerätes mit Hilfssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Stellgerät mit Hilfssteuerung besteht aus einem Stellventil 10, welches einen Zuströmraum 12 und einen Abströmraum 14 aufweist, die über eine durch einen Ventilkegel 20 verschließbare Öffnung 16 miteinander kommunizieren. Der Ventil kegel 20 ist durch einen Antrieb 30, der im folgenden noch näher beschrieben wird, verstellbar, so daß die Öffnung 16 durch den Ventilkegel 20 mehr oder weniger verschlossen wird. Zur Druckent lastung ist die Ventilstange 22 des Ventilkegels 20 durch ein Balggehäuse 50 mit Balg 52 geführt, das sich unterhalb des Abströmraumes 14 befindet, der zum Durchführen der Ventilstange 22 in seiner an das Balggehäuse 50 angrenzenden Gehäuseseite mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, an. Die Ventilstange 22 ist weiterhin in das Gehäuse des Antriebes 30 geführt. Das Gehäuse besteht aus einer oberen Gehäusehälfte 32 und einer unteren Gehäusehälfte 34, die miteinander so verbunden sind, daß sie zwischen sich eine Membran 36 halten. Mit dieser Membran 36 ist die Ventilstange 22 verbunden. Die Membran 36 teilt das Innere des Gehäuses des Antriebs 30 in zwei Räume, nämlich den Zwischen druckraum 38 und den Federraum 40, in dem eine Vielzahl von Federn 42, von denen hier zwei dargestellt sind, angeordnet ist, die einen durch die Wahl der Federn bestimmten Federdruck auf die Membran 36 ausüben.

Zuströmraum 12, Abströmraum 14, Zwischendruckraum 38 und Feder raum 40 sind durch Impulsleitungen des Hilfssteuerkreises auf folgende Weise verbunden.

Vom Zuströmraum 12 führt eine erste Impulsleitung 64 zu einem Hilfssteuerventil 60, das gemäß der vorliegenden Erfindung als Volumenstromregler ausgebildet ist. Eine zweite Impulsleitung 66 verbindet das Hilfssteuerventil 60 mit dem Zwischendruckraum 38, eine Abzweigung 68 derselben Impulsleitung 66 führt zu einer ein stellbaren Drossel 62. Die Drossel 62 ist einerseits über eine Impulsleitung 70 mit dem Abströmraum 14 verbunden, andererseits über eine Impulsleitung 72 mit dem Federraum 40.

Im Falle eines entlasteten Stellventiles 10 wird an der Drossel 62 stets der Druck "Kraft der Federn 42 dividiert durch Wirk fläche der Membran 36" abgebaut. Fällt nun der Istwert bzw. öff net das Hilfssteuerventil 60, so steigt der Differenzdruck an der Drossel 62, da der Druck im Zwischendruckraum 38 steigt, wodurch die Membran 36 und damit der Ventilkegel 20 im Öffnungssinne bewegt und die Federn 42 zusammengedrückt werden. Damit öffnet das Stellventil 10. Das als Volumenstromregler ausgebildete Hilfssteuerventil 60 hält nun den Volumenstrom im Hilfszweig kon stant, unabhängig von den anstehenden Drücken. Die beschriebenen Druckänderungen, die von Volumenstromänderungen im Hauptdurchgang (Zuströmraum 12 → Abströmraum 14) herrühren, haben somit keinen störenden Einfluß. Die Druckverhältnisse ändern sich erst, wenn der Volumenstrom im Hilfssteuerventil durch absichtliche Verstel lung geändert wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines als Volumenstromregler ausgebil deten Hilfssteuerventiles 60, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Volumenstromregler weist einen Zuströmraum 602 und einen Abströmraum 604 auf, die über eine Öff nung 606 kommunizieren. Durch eine von einer Dichtung 608 umschlossene Öffnung im Zuströmraum 602 wird ein als Blendenkegel 610 ausgebildeter Wirkdruckgeber über die Öffnung 606 geführt und ist in bezug auf diese verlagerbar. Dabei weist der Blendenkegel 610 einen kegelstumpfförmigen Teller 612 auf, der so bemessen ist, daß er die Öffnung 606 verschließen kann. An diesem Wirkdruckgeber bzw. Blendenkegel 610 greift beispielsweise ein elektrischer Stellantrieb oder ein Thermostat bzw. ein Geber für eine sonstige Stellgröße entsprechend der mit der Steuerung zu lösenden Regelaufgabe an. In den Abströmraum 604 ragt ein Kegel 616, dessen Kegelstange 618 auf einem Membranantrieb 624 ruht. Eine Stellfeder 622 sorgt für den entsprechenden Gegendruck. Die Kegelstange 618 ist durch eine Öffnung im Gehäuse des Abström raumes 604 geführt und durch eine Dichtung 620 abgedichtet. Der Volumenstrom durch den Volumenstromregler kann geändert werden, wenn die Lage des Blendenkegels 610 verstellt wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Stellgerätes mit Hilfssteuerung. In dieser Figur sind Bauteile, die denen der Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Dieses Stellgerät ist insbesondere dann geeignet, wenn große Nennweiten der Steuermembran 36 auftreten, da dann die Steuermembran 36 die Entlastungsfunktion für den Kegel 20 übernimmt. Dabei entspricht die mittlere Wirkfläche der Membran 36 gerade der Fläche des Ventilsitzes bzw. der Öffnung 16.

In den Hilfssteuerkreis, bei dem Impulsleitungen vom Zuströmraum 12 zum Abströmraum 14 führen, ist ein Volumenstromregler 80 geschaltet, bei dem einerseits, wie durch die Bezugsziffer 810 angedeutet, ein Stellantrieb auf einen Wirkdruckgeber wie einen Blendenkegel wirkt, andererseits als zusätzliche Funktionseinheit ein Druckregler 82 vorgesehen ist. In den Hilfssteuerkreis sind weitere Komponenten, wie Ventile 84, 86 und Strömungsbegrenzer 88, 90 geschaltet, um die gewünschte Volumenstromcharakteristik im Hilfssteuerkreis zu erzeugen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Stellventil
12 Zuströmraum
14 Abströmraum
16 Öffnung
20 Ventilkegel
22 Ventilstange
30 Antrieb
32 Obere Gehäusehälfte
34 Untere Gehäusehälfte
36 Membran
38 Zwischendruckraum
40 Federraum
42 Feder(n)
50 Balggehäuse
52 Balg
60 Hilfssteuerventil (Volumenstromregler)
62 Drossel
64 Impulsleitung
66 Impulsleitung
68 Impulsleitung
70 Impulsleitung
72 Impulsleitung
80 Hilfssteuerventil
810 Wirkdruckgeber
82 Druckregler
84 Ventil
86 Ventil
88 Strömungsbegrenzer
90 Strömungsbegrenzer
602 Zuströmraum
604 Abströmraum
606 Öffnung
608 Dichtung
610 Blendenkegel
612 Kegelstumpfförmiger Teller
614 Impulsleitung
616 Kegel
618 Kegelstange
620 Dichtung
622 Stellfeder
624 Membranantrieb

Claims

1. Stellgerät mit Hilfssteuerung zur Regelung des Stromes kom pressibler oder imkompressibler Fluide abhängig von Regelungsgrößen wie Druck, Differenz, Durchflußmenge, Tempe ratur, welche einem Hilfssteuerventil der Hilfssteuerung auf gegeben werden, wobei die Hilfssteuerung auf den Antrieb eines Stellventiles des Stellgerätes im Fluidstrom wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfssteuerventil ein Volumenstromregler (60, 80) vorgesehen ist, dessen Wirkdruckgeber (610, 810) zur Einstellung des Volumenstromes verstellbar ist, wobei der Verstellweg gemäß den auf einen Stellantrieb für den Wirkdruckgeber (610, 810) aufgegebenen Regelgrößen bestimmt ist.

2. Stellgerät mit Hilfssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssteuerung eine Drossel (62) aufweist, die, dem Hilfssteuerventil (60) vor- oder nachgeschaltet, in einer vom Zuströmraum (12) zum Abströmraum (14) führenden Impulsleitung (64, 68, 70) ange ordnet ist.

3. Stellgerät mit Hilfssteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirk druckgeber einen Blendenkegel (610) aufweist, wobei die Form gebung und/oder Neigung des Kegelmantels je nach gewünschter Charakteristik der Kreisverstärkung im Hilfssteuerkreis fest legbar sind.

4. Stellgerät mit Hilfssteuerung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (62) fest einstellbar, wahlweise verstellbar oder abhängig vom Durchfluß durch den Volumenstromregler (60) verstellbar ist.

5. Stellgerät mit Hilfssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stell feder (622) des Volumenstromreglers (60, 80) einen festen oder einstellbaren Federbereich hat.

6. Stellgerät mit Hilfssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß am Volumenstromregler (80) eine Einrichtung (82) zum Ausführen einer zusätzlichen Funk tion, beispielsweise einer Druckregelung, vorgesehen ist.