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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stellungs-
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rückführung eines von einem Wärmemotor gesteuerten Stellgliedes, insbesondere
eines Ventils für Heizungsanlagen od.dgl., mittels eines vom Ausdehnungsstoff des
Wärmemotors beeinfluBten Meßsignals zur Bildung der Rückführgröße. Ferner betrifft
die Erfindung Vorrichtungen zur vorteilhaften Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei einem Wärmemotor dieser Art befindet sich im Innenraum eines
durch eine nachgiebige Wandung abgeschlossenen Behälters, beispielsweise eines Zylinders
mit verschiebbarem Kolben, Balg oder Membran, ein bei Erwärmung oder Abkühlung sein
Volumen ändernder Ausdehnungsstoff, dessen Volumenänderung in eine mechanische Energie
zur Betätigung des Stellgliedes umgewandelt wird.
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Aus der DE-AS 19 35 187 ist eine Regelvorrichtung für Heizungsanlagen
mit einem thermohydraulischen Ventil bekannt, bei der das zur Bildung der RückführgröBe
dienende Meßsignal von einem elektrischen, mit dem Ausdehnungsfluidum des Wärmemotors
in wärmeleitender Verbindung stehenden TemperaturmeBglied erzeugt wird. Dabei ist
die von dem Temperaturmeßglied gefühlte Temperatur des Ausdehnungsfluidums ein Maß
für
die jeweilige Ventilstellung, und die Ausgangsgröße dieses Temperaturmeßgliedes
wird dem Meßzweig einer elektrischen Brücke der Regelvorrichtung als Rückführgröße
aufgeschaltet. Dieser elektrischen Brücke kann auch ein als Raumtemperaturfühler
dienender temperaturabhängiger Widerstand und ein Sollwerteinsteller zugeordnet
sein.
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Diese bekannte Regelvorrichtung hat den Nachteil, daß als Ausdehnungsstoff
nur ein Fluidum verwendet werden kann, bei dem eine eindeutige Zuordnung zwischen
der Temperatur des Ausdehnungsfluidums und der Ventilstellung vorliegt. Nachteilig
ist bei dieser Regelvorrichtung ferner, daß das Widerstandsignal des Temperaturmeßgliedes
der wirklichen Umgebungstemperatur des Ausdehnungsfluidums mehr oder weniger stark
verzögert folgt. Diese bei jeder Temperaturmessung festzustellende Verzögerung kann
die Regelgüte eines Regelkreises mit einem solchen Stellglied verschlechtern. Die
bei Wärmemotoren als Ausdehnungsstoff wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften gern
verwendeten Wachsarten sind daher für die bekannte Regelvorrichtung nicht brauchbar.
Bei Wärmemotoren mit Wachsfüllung dient nämlich die dem Ausdehnungsstoff zugeführte
Heiz- oder Kiitilenergie
nicht dazu, die Temperatur zu verändern,
sondern den Aggregatzustand des Ausdehnungsstoffes. Mit der Zustandsänderung ist
eine große nutzbare Volumenänderung verbunden, ohne daß sich die Temperatur wesentlich
ändert.
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Auch Ausdehnungsstoffe mit Anomalien in der Ausdehnung, wie zOB natürliches
Wasser, sind bei der bekannten Regelvorrichtung nicht anwendbar, denn auch hier
wäre die Temperatur des Ausdehnungsstoffes der Stellung des Stellgliedes nicht eindeutig
zugeordnet. Als Stand der Technik sind zwar auch elektrische Stellungsrückführungen
bekannt, die mit Potentiometern oder Differentialtransformatoren arbeiten, aber
diese Vorrichtungen sind sehr aufwendig und entsprechend teuer.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde/ mit verhältnismäßig
geringem technischem Aufwand ein Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung desselben
anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile der bekannten Regelvorrichtung
vermeiden und darüber hinaus durch ihre Arbeitsweise wesentliche Vorteile für die
Praxis bieten.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Stellungsrückführung gemäß
der Erfindung in der Weise gelöst, daß das
die Rückführgröße bestimmende
Meßsignal in Abhängigkeit von dem im Wärme motor auftretenden Druck des Ausdehnungsstoffes
gebildet wird.
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Es wird also im Gegensatz zu dem Verfahren, nach dem die aus der
DE-AS 19 35 187 bekannte Regelvorrichtung arbeitet, erfindungsgemäß als Rückführgrbße
der Druck des im Wärmemotor enthaltenen Ausdehnungsstoffes verwendet, welcher vorzugsweise
mit elektrischen Mitteln direkt oder indirekt gemessen werden kann.
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Im ersteren Fall kann das Meßsignal unmittelbar aus dem Druck des
Ausdehnungsstoffes gewonnen werden.
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Zu diesem Zweck kann der Druck des Ausdehnungsstorres gemäß einer
einfachen Ausführungsart der Erfindung auf solche Medien oder Substanzen zur Einwirkung
gebracht werden, deren elektrische Widerstandswerte sich mit dem Druck ändern. Hierfür
kommt beispielsweise ein Meßorgan mit einem Silikonelastomer in Betracht, dessen
Durchgangswiderstand von dem auf dasselbe wirkenden Druck abhängt.
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Im zweiten Fall kann das Meßsignal mittelbar aus einer durch den
Druck des Ausdehnungsstoffes bewirkten
mechanischen Spannung oder
Veränderung von elastisch verformbaren, im Bereich des Wärmemotors liegenden festen
Teilen gewonnen werden. Zu diesem Zweck kann gemäß einer einfachen Ausführungsform
der Erfindung die mechanische Spannung oder Veränderung der unter dem Druck des
Ausdehnungsstoffes elastisch verformbaren Teile des Wärmemotors oder dessen Halterung
od.dgl. mittels auf diesen Teilen angeordneten Dehnungsmeßstreifen in elektrische,
dem Druck des Ausdehnungsstoffes entsprechende Meßsignale umgewandelt werden, die
über elektrische Leitungen als Rückführgröße in eine elektrische Schaltung des Regelkreises
eingeführt sind, welche die Beheizung bzw. Kühlung des Wärmemotors steuert. Solche
Dehnungsmeßstreifen können in bekannter Weise auf metallischer oder Halbleiterbasis
ausgeführt sein. Beispielsweise kann ein Dehnungsmeßstreifen auf der äußeren Oberfläche
eines dünnwandigen Bodens des den Ausdehnungsstoff enthaltenden, z.B. zylindrischen
Behälters des Wärmemotors befestigt sein. Gemäß einer anderen Möglichkeit kann ein
Paar von Dehnungsmeßstreifen auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines elastisch
biegsamen Teiles einer mit dem Warmelnotor verbundenen Halterung od dgl. befestigt
sein.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen u.a. darin, daß
das Verfahren bei jeder Art von Wärmemotor anwendbar ist, gleichgültig ob die Ausdehnungsstoffe
des Wärmemotors bei Erhitzung ihren Aggregatzustand vollståndig oder teilweise ändern,
daß ferner die zeitliche Verschleppung des Rückrührsignals gegenüber der Stellungsänderung
des Stellmotors bzw. Stellgliedes äußerst gering ist, und daß eine erfindungsgemäß
ausgebildete Vorrichtung weniger aufwendig und billiger ist als Stellungsrückführungen
mit Potentiometern oder Differentialtransformatoren.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt schematisch in einem vertikalen Längsschnitt ein Ventil
mit einem Wärmembtor und mittelbaren Druckmessung durch Dehnungsmeßstreifen in zwei
Varianten, Fig. 2 zeigt in abgebrochenem Längsschnitt den oberen Teil eines Wärmemotors
entsprechend Fig. 1, aber mit unmittelbarer Druckmessung durch ein druckempfindliches
Organ, und
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit elektrischer Widerstandsbrücke.
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Das Stellglied der Regelvorrichtung besteht gemäß Fig. 1 beispielsweise
aus einem Durchgangsventil 1, dessen Gehäuse 2 einen Eintrittsstutzen 3, einen Austrittsstutzen
4 und eine innere Trennwand 5 aufweist. In der Trennwand 5 befindet sich eine Durchtrittsöffnung
6> die von einem Ventilteller 7 mehr oder weniger abgeschlossen bzw. rreigegeben
werden kann. Der Ventilteller 7 sitzt am freien Ende einer Ventilstange 8, welche
verschiebbar, aber dicht durch den Gehäusehals 9 des Ventilgehäuses 2 nach außen
geführt und durch ein Kupplungsglied 10 lösbar mit einer Betätigungsstange 11 verbunden
ist.
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Das Ventilgehäuse 2 ist durch Stehbolzen 12 mit einem Träger 13 verbunden,
welcher die Verbindung zwischen dem Ventil 1 und einem Wärmemotor 14 herstellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht der Wärmemotor 14 aus einem dünnwandigen,
rohrförmigen oder zylindrischen Behälter mit einer Rohrwandung 15, einem oberen,
ebenfalls dünnen Behälterboden 16 und einem Behälterfuß 17. Durch eine leckrrei
abgedichtete Bohrung 18 des mit dem Träger 13 verbundenen
Behälterfußes
17 ist das obere, als Kolben 19 ausgebildete Ende der Betätigungsstange 11 in den
Innenraum 20 des Behälters 15, 16, 17 geführt. Dieser Innenraum 20 ist mit einem
Dehnstoff 21 wie vorzugsweise Wachs gefüllt, welcher bei Erwärmung aus einem festen
Zustand in eine flüssige Zustandsphase übergeht, sich dabei ausdehnt und sein Volumen
entsprechend ändert.
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Die Behälterwandung 15 ist mit einer elektrischen Heizwicklung 22
versehen, die an Stromzuleitungen 23, 24 angeschlossen ist. Auf dem Behälterboden
16 ist gemäß einer Ausführungsform des Wärmemotors gemäß der Erfindung ein Dehnungsmeßstreifen
R1 befestigt, z.B. aufgeklebt.
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An oder in dem Träger 13 ist eine Rückstellfeder 25 angeordnet, die
über einen Bund 26 der Betätigungsstange 11 auf letztere wirkt und den Kolben 19
in den Behält er innenraum 20 drückt. Dadurch wird der Dehnstoff 21 stets ausreichend
komprimiert und z.B. verhindert, daß er schädliche Gasblasen enthält.
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Wenn der Dehnstoff 21 unter der Heizwirkung der Heizwicklung 22 aus
der resten in die flüssige Zustandsphase übergeht und sich entsprechend ausdehnt,
so bildet sich unter
dem Einfluß der Rückstellfeder 25 und etwaiger
Gegenkräfte des Stellgliedes 1 im Behälterinnenraum 20 ein Druck aus, durch den
die dünnwandigen Teile des Behälters gedehnt werden. Dabei wölbt sich der dünnwandige
Boden 16 des Behälters so stark nach außen auf, daß der Dehnungsmeßstreifen R1 entsprechend
deformiert wird und seinen elektrischen Widerstand ändert.
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Die unter dem Druck d es Dehnstoff es 21 auftretende mechanische
Dehnung oder Spannung kann nicht nur im direkten Bereich des Wärmemotors 14, sondern
auch an einem anderen, von diesem Druck beeinflußbaren Ort der Vorrichtung gemessen
werden. Eine solche, anstelle des Dehnungsmeßstreifens R1 anwendbare Variante der
Erfindung ist der Einfachheit halber ebenfalls in Fig. 1 gezeigt. Zu diesem Zweck
kann der Träger 13 des Wärmemotors 14 teilweise biegefähig ausgebildet sein. Er
besteht z.B. aus einem U-förmigen Korper mit einem oberen Schenkel 27, an dem der
Behälterfuß 17 des Warmemotors 14 angebracht ist, mit einem unteren Schenkel 28,
an dem die Stehbolzen 12 des Ventilgehäuses 2 befestigt sind, und mit einer elastisch
biegsamen Basis 29, die mit den Schenkeln 27, 28 einteilig ausgebildet oder auch
aus einem
besonderen, geeigneten Material hergestellt sein kann.
Auf der biegungsfähigen Basis 29 des Trägers 13 ist ein Paar von einander gegenüberliegenden
Dehnungsmeßstreifen R1 und R2 1 2 befestigt, z.B. aufgeklebt, derart, daß sich dieselben
einerseits auf der gedehnten und andererseits ur der gestauchten Oberfläche der
Basis 29 befinden. Ausführungen der vorstehend beschriebenen Art sind im übrigen
gut für die Zwecke der Erfindung brauchbar, weil der Druck im Inneren des Wärmemotorbehälters
und die Spannung an der Oberfläche des Behälters oder der Halterung usw. sehr gut
durch die Geometrie des Behälters bzw. der sonstigen Teile und dessen bzw. deren
Elastizitätsmodul verknüpft sind.
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Eine elektrische Schaltung, mit deren Hilfe die elektrischen Meßsignale
den Dehnungsmeßstreifen als Rückführgröße einsetzbar sind, ist beispielsweise in
Figo 3 der Zeichnung veranschaulicht. Die Schaltung bedient sich einer bei E gespeisten
elektrischen Widerstandsbrücke.
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In dem linken unteren Brückenzweig stellen R1 bzw. R2 die an Hand
der Fig. 1 beschriebenen Dehnungsmeßstreifen dar. Im rechten unteren Brückenzweig
ist ein Festwiderstand R2 angeordnet, welcher den gleichen Temperaturkoeffizienten
des Widerstandes wie R1 besitzt und auch den gleichen
Temperatur
ausgesetzt ist. Bei der Ausführungsform mit dem Meßstreifenpaar R1 und R2 befindet
sich der Dehnungsmeßstreifen R21 im rechten unteren BrUckenzweig.
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Auch dieser besitzt den gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes
wie R;, so daß sich eventuelle Temperatureinflüsse auf die Dehnungsmeßstreifen innerhalb
der elektrischen Widerstandsbrücke aufheben.
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Anstelle der mittelbaren Messung der mechanischen Spannung in der
Vorrichtung durch Dehnungsmeßstrelfen kann erfindungsgemäß auch eine Messung dieser
Spannung bzw. des dieselbe verursachenden Druckes des Ausdehnungsstoffes durch eine
unmittelbare elektrische Messung dieses Druckes vorgenommen werden. Ein Beispiel
hierfür veranschaulicht Fig. 2 der Zeichnung, welche nur den oberen Teil eines Wärmemotors
14r zeigt. Entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die dünne Rohrwandung
des Behälters, dessen Innenraum 20 den Dehnstoff 21 enthält, mit der elektrischen
Heizwicklung 22 versehen. In dem Dehnstoff befindet sich eine mit R1 bezeichnete
druckempfindliche Platte (oder ein entsprechendes druckempfindliches Element), welche
über flächenförmige Spannungszuleitungen mit Anschlußleitungen 30, 31 verbunden
ist. Diese
sind mittels druckdichter, elektrisch isolierender Durchführungen
32 bzw. 33 durch den BehElterboden 16t in den BehElterinnenraum 20 eingeführt. Die
druckempfindliche Platte besteht beispielsweise aus einem Silikonelastomer, dessen
elektrischer Durchgangswiderstand sich beim Zusammendrücken der Platte ändert. In
der Brückenschaltung gemäß Fig. 3 ist der Widerstand R" dieser druckempfindlichen
Platte im linken unteren Brückenzweig angeordnet.
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Im linken oberen Brückenzweig der Widerstandsbrücke gemäß Fig. 3
liegen die Widerstände R3 und R5, von denen R3 ein temperaturempfindlicher Widerstand
ist, mit welchem beispielsweise die zu regelnde Temperatur eines Raumes gemessen
wird. Im rechten oberen Brückenzweig der Fig. 3 liegen die Widerstände R4 und R6,
von denen R4 als veränderlicher Widerstand, z.B. in Form eines Potentiometers, ausgebildet
ist, mit dem der Sollwert der zu regelnden Raumtemperatur vorgegeben werden kann0
Die bei einem Ungleichgewichtszustand der Widerstandsbrücke aurtretende Diagonalspannung
wird einem Verstärker V zugeleitet, welcher mittels eines Schaltgliedes, z.B. in
Form eines Relais oder eines Leistungshalbleiters, dafür sorgt, daß die Heizung
des Wärmemotors ein- bzw. ausgeschaltet wird. Der Gleichgewichtszustand der Widerstandsbrücke
läßt
sich nach den bekannten Formeln der Ei3äktrotechnik berechnen. Von den vielen möglichen
Gleichgewichtszuständen sei beispielsweise derjenige genannt, bei dem R5 + = R4
+ R6 und R1 bzw. R1t bzw. R1?t = R2 bzw. Rt ist.
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2 Wenn beispielsweise der Gleichgewichtszustand der Widerstandsbrücke
dadurch gestört wird, daß sich die zu regelnde Raumtemperatur ändert, so ändert
sich auch der Wert des von dieser Temperatur beeinflußten Widerstandes R3. Die dadurch
verursachte Diagonaispannung der Widerstandsbrücke wirkt über den Verstärker V und
die angeschlossenen Schaltmittel auf den Wärmemotor 14 ein, z.B. so, daß derselbe
durch die Heizwicklung 22 aufgeheizt wird. Durch die Volumenänderung des Dehnstoffes
21 wird der Kolben 19 aus dem Innenraum 20 des Wärmemotors 14 nach außen, gemäß
Fig. 1 nach unten verdrängt und schließt das Durchgangsventil 1, welches z.B. die
Wärmezufuhr zu einem in dem zu regelnden Raum befindlichen Warmwasserheizkörper
steuert. Nun könnte allerdings die Beheizung des Wärmemotors 14 durch die Heizwicklung
22 an sich bewirken, daß der Kolben 19 seinen maximalen Hubweg durchlaufen würde.
Dadurch würde aber das Durchgangsventil 1 zu lange in eine Stellung gebracht werden,
die für die
Erwärmung des Raumes nicht richtig wäre. Der Temperaturfühler
R3 würde nämlich nach einer gewissen Zeit anzeigen, daß der Raum zu kalt geworden
ist, und es würde der umgekehrte Stellvorgang stattfinden. Die Beheizung des Dehnstoffes
21 würde zu lange abgeschaltet sein, und es käme zu den jedem Fachmann bekannten
Regelungsschwingungen.
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Um einen solchen instabilen Regelkreis zu dämpfen oder zu stabilisieren,
wird erfindungsgemäß eine Rückführung folgender Art vorgesehen: Die zur Stabilisierung
des Regelvorganges erf orderliche Rücktührgröße wird aus den elektrischen Meßsignalen
des Dehnungsmeßstreifens R1 (Variante I der Fig. 1) oder des Dehnungsmeßstreifenpaares
R1 und R2 (Variante II der Fig. 1) oder des Widerstandes der druckempfindlichen
Platte R1 (Fig. 2) gewonnen. Wenn nämlich wegen des Druckanstieges im Innenraum
20 des Wärmemotors 14 bzw.
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14' diese Meßelemente aktiviert werden, dann kommt die Widerstandsbrücke
bereits ins Gleichgewicht, wenn der Kolben 19 nur zu einem kleinen Teil aus dem
Innenraum 20 des Wärmemotors ausgetreten ist. Wie groß der Weg des Kolbens 19 bis
zur Erreichung des Brückengleichgewichtes ist, hängt von der Dimensionierung der
Widerstände R1, R2 usw. bis R6 ab.
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Durch die Verwendung von solchen Meßelementen wie Dehnungsmeßstreifenß
Druckmeßkörpern od.dgl.
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läßt sich somit erfindungsgemäß bei Wärmemotoren aller Art auf sehr
einfache Weise die gewünschte Rückführung erzielen. Die Erfindung beschränkt sich
nicht auf die vorstehend beschriebenen und gezeigten Ausfünrungsformen, sondern
sie umfaßt alle Varianten im Rahmen der wesentlichen Erfindungsmerkmale. Auch kann
die Vorrichtung beliebig ausgestaltet werden.
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Beispielsweise kann die Zuordnung der Stellungsänderung zu der Regelabwelchung
auf an sich bekannte Weise veränderbar gemacht werden0 Es kann auch aus der vorstehend
beschriebenen Proportionalrückführung durch Einführung von Zeitgliedern eine proportionalintegrale
Rückführung gemacht werden.