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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Steuerung des Flusses strömender Medien, insbesondere Gase oder Flüssigkeiten, in Rohrleitungen oder dgl., mit einem Schaltventil, einem dem Schaltventil in Strömungsrichtung nachgeordneten Drosselglied sowie einem das Schaltventil betätigenden Stellglied.
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Eine derartige Ventilanordnung ist aus der DE-OS 27 52 899 bekannt. Um bei diesem System auch kleine Durchflußmengen noch steuern zu können, ist dort eine Drainage vorgesehen, durch die kontinuierlich ein gewisser Leckfluß des zu steuernden Mediums auftritt. Bei richtiger Dimensionierung des Ventils und der beiden Drosselglieder sowie des das Schaltventil öffnenden Steuerimpulses und der minimalen Steuerimpulswiederholrate läßt sich erreichen, daß das durch das Schaltventil strömende Medium vollständig abdrainiert wird, so daß zum Verbraucher hin kein Fluß mehr auftritt.
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Diese bekannte Ventilanordnung weist somit zunächst den Nachteil auf, daß ein dauernder Leckfluß vorhanden ist. Weiter muß die Steuerimpulslänge und die minimale Pulswiederholrate auf das jeweils verwendete Schaltventil sowie auf die Größe des Leckflusses abgeglichen werden. Dieser Abgleich muß darüber hinaus regelmäßig wiederholt werden, da gerade bei mit höheren Frequenzen betriebenen Schaltventilen Verschleißerscheinungen nicht ausbleiben, wodurch sich die Ansprechzeiten des Ventils ändern. Schließlich wird die für die Steuerung kleiner Flüssigkeitsströme vorausgesetzte Gleichgewichtsbedingung durch den jeweils vorhandenen Betriebsdruck beeinflußt, so daß eine zuverlässige und reproduzierbare Steuerung bei sehr kleinen Durchflußmengen in der Praxis nicht möglich ist.
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In dem Fachbuch "Grundriß der praktischen Regelungstechnik" von E. Samal, R. Oldenbourg, München, 1960, ist auf den Seiten 272 bis 274 eine Regelungseinrichtung beschrieben, die in üblicher Weise den Fluß in einer Rohrleitung regelt. Dazu ist die Anordnung mit einem Durchflußmesser versehen, dessen Ausgangssignal über einen Regler ein ebenfalls in der Rohrleitung angeordnetes Ventil derart ansteuert, daß ein bestimmter, als Regelgröße vorgegebener Durchfluß konstant gehalten wird. Diese Anordnung erfüllt somit reine Regelfunktionen und ist somit zur ausschließlichen Steuerung des Flusses ungeeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau und zuverlässiger Betriebsweise ein weiterer Steuerbereich für den Durchfluß möglich ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Schaltventil und dem Drosselglied ein Drucksensor angeordnet ist und das Stellglied bei Druckanstieg am Drucksensor das Schaltventil sofort oder zeitlich verzögert schließt und bei Druckabfall das Schaltventil sofort oder zeitlich verzögert öffnet.
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Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß für die Ansteuerung des Schaltventils keine Mindestöffnungszeiten vorgesehen werden müssen, durch die gewährleistet ist, daß der Ventilteller auch tatsächlich vom Ventilsitz abhebt und somit überhaupt eine Strömung durch das Ventil ermöglicht wird. Vielmehr registriert der zwischen dem Schaltventil und dem Drosselglied angeordnete Drucksensor durch den auftretenden Druckanstieg das Abheben des Ventiltellers vom Ventilsitz, so daß das Ventil sofort wieder geschlossen werden kann und im Ergebnis außerordentlich kurze Öffnungszeiten erreicht werden. Störgrößen, wie beispielsweise wechselnde Druckdifferenzen, die den Ventilteller mit unterschiedlicher Kraft beaufschlagen oder auch die Ansprechgeschwindigkeit des Schaltventils beeinflussende Verschleißerscheinungen, die normalerweise eine ausreichend große Mindestöffnungszeit des Schaltventils notwendig machen, werden eliminiert bzw. selbsttätig berücksichtigt, da das Schließen des Ventils stets in festem zeitlichen Bezug zum Zeitpunkt des tatsächlichen Öffnens des Ventils steht. Da somit eine hinreichend groß bemessene Mindestöffnungszeit nicht erforderlich ist, besteht die Möglichkeit, selbst mit einem für große Durchflußmengen vorgesehenen Schaltventil den Durchfluß auch sehr geringer Volumina präzise zu steuern, also einen sehr weiten Flußbereich des strömenden Mediums zu überdecken.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Drucksensor von einem den Druck in entsprechende elektrische Spannungen umsetzenden Bauelement gebildet.
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Bei einer Ventilanordnung, bei der das Schaltventil von einem elektrisch betätigbaren Magnetventil gebildet ist, weist das Stellglied zweckmäßigerweise einen das Schaltventil ansteuernden Leistungsverstärker auf, der von einem Spannungskomparator angesteuert ist, dessen invertierender Eingang durch den Drucksensor gesteuert ist und dessen nicht invertierender Eingang einen externen Steuereingang zur Steuerung der Ventilanordnung bildet. Hierbei kann das Stellglied entweder analog in der Weise arbeiten, daß dem externen Steuereingang eine Steuerspannung zugeführt wird, deren Größe mit dem gewünschten Durchfluß bzw. einem bestimmten Druck am Drucksensor korreliert ist, so daß das Schaltventil jeweils dann schaltet, wenn die Ausgangsspannung des Drucksensors den vorgegebenen Wert unter- bzw. überschreitet. Es besteht jedoch ebenfalls die im Rahmen der Erfindung bevorzugte Möglichkeit, daß das Stellglied ein unmittelbar durch den Drucksensor angesteuertes Differenzierglied aufweist. Dadurch wird einerseits die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht, da als Steuersignal eine der Druckänderung proportionale Größe zur Verfügung steht, des weiteren kann das Steuerglied in digitaler Betriebsweise und damit störsicherer arbeiten. In diesem Fall bildet der externe Steuereingang lediglich einen Freigabeeingang, durch den mittels eines digitalen Signals die gesamte Ventilanordnung ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Dann empfiehlt es sich weiter, daß das Stellglied ein Zeitglied mit einstellbarer Zeitkonstante aufweist, das dem Differenzierglied nachgeschaltet ist und den invertierenden Eingang des Komparators zeitverzögert ansteuert. Auf diese Weise kann die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit des Schaltventils in weiten Grenzen variiert werden. Dazu kann das Zeitglied zweckmäßigerweise von der durch den Druckanstieg verursachten Spannungsflanke des Drucksensors angesteuert sein. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung ebenso die Möglichkeit, daß das Zeitglied von der durch den Druckabfall verursachten Spannungsflanke des Drucksensors angesteuert wird.
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Schließlich kann das Stellglied ein Invertierglied aufweisen, das die dem Zeitglied zugeführte Spannungsflanke wahlweise invertiert. Somit besteht die Möglichkeit, je nach Stellung des Invertiergliedes entweder die Öffnungsphase des Ventils oder auch die Schließphase des Ventils durch das Zeitglied zu verlängern, wodurch sich ein außerordentlich weiter Steuerbereich für die Ventilanordnung ergibt.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt die erfindungsgemäße Ventilanordnung in einer schematischen Darstellung.
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Die Ventilanordnung besteht im wesentlichen aus einem in einer Rohrleitung 1 angeordneten Schaltventil 2, einem dem Schaltventil 2 in durch den Pfeil 3 angedeuteter Strömungsrichtung nachgeordneten Drosselglied 4 sowie einem zwischen dem Schaltventil 2 und dem Drosselglied 4 angeordneten Drucksensor 5. Die Ansteuerung des als elektrisch betätigbares Magnetventil ausgebildeten Schaltventils 2 erfolgt durch ein Stellglied 6, das dazu einen Leistungsverstärker 12 aufweist. Das Stellglied 6 wird von dem Drucksensor 5 angesteuert, der von einem den Druck in entsprechende elektrische Spannungen umsetzenden Bauelement gebildet ist. Die Ausgangsspannung des Drucksensors 5 wird zunächst einem Differenzierglied 7 zugeführt, das ein digitales Ausgangssignal an ein Zeitglied 8 abgibt, dessen Zeitkonstante durch einen Geber 9 verstellbar ist. Das Ausgangssignal dieses Zeitgliedes 8 wird schließlich dem invertierenden Eingang eines den Leistungsverstärker 12 ansteuernden Komparators 10 zugeführt, wobei der nicht invertierende Eingang des Komparators 10 einen externen Steuereingang 11 zur Steuerung der Ventilanordnung bildet.
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Zur Erläuterung der betriebsmäßigen Funktionsweise sei zunächst davon ausgegangen, daß die Zeitkonstante des Zeitgliedes 8 auf den Wert Null eingestellt ist, was nichts anderes bedeutet, als daß der Ausgang des Differenzierglieds unmittelbar, also zeitlich unverzögert, den invertierenden Eingang des Spannungskomparators ansteuert. Durch Anlegen einer positiven Spannung an den externen Steuereingang 11 wird das Schaltventil 2 über den Leistungsverstärker 12 geöffnet, da die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 10 zunächst im wesentlichen Null, d. h. jedenfalls kleiner als am nicht invertierenden Eingang ist. Aufgrund des Drosselgliedes 4 registriert der Drucksensor 5 das Öffnen des Schaltventils 2 sofort als Druckanstieg, der eine entsprechende Spannungsänderung am Ausgang des Drucksensors 5 zur Folge hat. Diese Spannungsänderung führt zu einer positiven Spannung am Ausgang des Differenziergliedes 7, so daß über das Zeitglied 8 am invertierenden Eingang des Komparators 10 ebenfalls eine positive Spannung ansteht, die die Spannung am externen Steuereingang 11 überschreitet. Dadurch schaltet der Komparator 10 den Leistungsverstärker 12 wieder ab und das Schaltventil 4 schließt. Infolgedessen fällt der Druck zwischen dem Schaltventil 2 und dem Drosselglied 4 wieder ab, was in analoger Weise des gerade beschriebenen Ablaufs dazu führt, daß das Schaltventil 2 erneut öffnet. In der eben erläuterten Arbeitsweise, wenn also die Zeitkonstante des Zeitgliedes zu Null gewählt ist, arbeitet die Ventilanordnung mit der größtmöglichen Schaltfrequenz des Schaltventils 2. Durch Wahl einer von Null verschiedenen Zeitkonstante erfolgt das Schließen des Schaltventils 2 verzögert, so daß die Öffnungszeit des Schaltventils 2 im Mittel vergrößert ist. Durch Verändern der Zeitkonstante läßt sich daher das Auf-Zu-Verhältnis des Schaltventils 2 in weiten Grenzen verstellen. Dabei ist es insbesondere möglich, zu sehr geringen Durchflußmengen zu gelangen, da der bereits bei geringstem Abheben des Ventiltellers vom Ventilsitz auftretende Druckanstieg sofort wieder zum Schließen des Schaltventils 2 führen kann. Daher besteht ohne weiteres die Möglichkeit, das Schaltventil 2 für große Durchflußmengen auszulegen, so daß sich ein außerordentlich weiter Steuerbereich der Ventilanordnung ergibt.
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Schließlich besteht noch die in der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit, das Öffnen des Schaltventils 2 durch das Zeitglied 8 zeitlich zu verzögern, so daß die Öffnungszeiten des Schaltventils 2 klein sind gegenüber den Schließzeiten. Dadurch lassen sich extrem kleine Durchflußmengen steuern, wobei eine Kombination beider Ansteuerungsarten den gesamten Regelumfang der Ventilanordnung nochmals erheblich erweitert.