DD139894A5 - Regelschaltung fuer das ventil einer kaelteanlage - Google Patents
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Description
Berlin, den 21*2.1979 54 388/16
Regelschaltung für das Ventil einer Kälteanlage Anwendu.ngsp;eMet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhängigkeit von einer mittels eines äußeren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt wird»
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Ventile von Kälteanlagen werden auf sehr einfache Weise geregelt. Bei einem als Saugdruckregler wirkenden Ventil wirkt beispielsweise der Verdampferdruck gegen eine einstellbare Feder, so daß durch Verstellung der Feder, ein bestimmter Verdampferdruck aufrechterhalten werden kann« Bei thermischen Expansionsventilen wird in einem am Verdampferaustritt anliegenden Fühler , der teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt ist, ein temperaturabhängiger Dampfdruck erzeugt, der im Ventil gegen die Kraft einer einstellbaren Feder und gegebenenfalls gegen den Verdampferdruck wirkt. Mit diesen Anordnungen lassen sich jedoch nur verhältnismäßig einfache Regelprobleme lösen. Beispielsweise ist es nicht möglich, die in einer Kälteanlage vorhandenen Ver-
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zögerungszeiten zu berücksichtigen oder die Regelung in Abhängigkeit von mehreren Kenngrößen oder von außerhalb der Kälteanlage auftretenden Kenngrößen durchzuführen. Auch eine Fernbedienung stößt auf Schwierigkeiten.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, mittels der Regelschaltung auch kompliziertere Regelprobleme lösen und in einer Kälteanlage vorhandene Verzögerungszeiten berücksichtigen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Ventil der eingangs beschriebenen Art eine Regelschaltung anzugeben, auf deren Grundlage es möglich ist, bei Kälteanlagen neue Regelungsarten durchzuführen und/oder die Regelung der Kälteanlage besser anzupassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
a) durch einen das Stellglied des Ventils beeinflussenden Bezugsdruckgeber, der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllten Druckbehälter eine Heizoder Kühlvorrichtung und einen Rückmeldetemperaturfühler aufweist,
b) durch eine erste Brückenschaltung mit einem als äußeren Temperaturfühler dienenden, ersten Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einen Sollwert-Einstellwiderstand sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,
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c) durch eine zweite Brückenschaltung mit einem als Rückmelde temperaturfühler dienenden, zweiten Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,
d) durch eine Summationsschaltung, in der die Ausgangssignale beider Verstärker gemischt werden,
e) und durch einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker mit nachgeschaltetem Stromregler, der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reibe liegt.
Bei dieser Regelschaltung wird das Ventil mit Hilfe eines · Bezugsdruckes eingestellt, der gleich dem Dampfdruck der verdampfbaren Flüssigkeit ist und durch eine Temperaturregelung im Bezugsdruckgeber genau kontrolliert wird. Hierbei bilden die Heiz- oder Kühlvorrichtung, der Rückmeldetemperaturfühler, die zweite BrückenscbaltTxng, die Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Stromregler eine kleine Regelschleife, während das Ventil, zumindest ein Teil der Kälteanlage, eventuell ein von der Kälteanlage beeinflußter Teil der Regelstrecke, der äußere Temperaturfühler, die erste Brückenschaltung, die Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Stromregler eine große Regelschleife bildene Mit Hilfe der kleinen Regelschleife wird der Bezugsdruck auf einem bestimmten Wert konstant gehalten, der unter dem Einfluß der äußeren Regelschleife geändert werden kann. In der ersten Brückenschaltung können die verschiedenartigsten äußeren Temperaturfühler angebracht werden, z.B. für einen Saugdruck-
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regler ein in dem gekühlten Medium angebrachter Fühler, für ein Expansionsventil ein an der Überhitzungsstrecke anliegender Fühler. Es können auch mehrere Temperaturfühler vorgesehen werden, beispielsweise für ein Expansionsventil ein erster Fühler am Verdampfereintritt und ein zweiter Fühler am Ende der Überhitzungsstrecke. Weitere Einflußmoglichkeiten können über die Summationsscfaaltung eingeführt werden, beispielsweise indem das Ausgangssignal einer weiteren Brückenschaltung zugemischt wird. Darüber hinaus kann durch Eingriffe an zahlreichen Stellen, insbesondere durch Verwendung von Einstellwiderständen, P-, I- und D-Gliedern eine optimale Anpassung der Regelschaltung an -die jeweilige Kälteanlage erfolgen, sei es bezüglich der Nachstellzeiten, der DüsengröBe des Ventils oder des verwendeten Kältemittels.
Die Summationsschaltung kann für jedes der Brückenverstärker-Ausgangssignale einen einstellbaren Eingangswiderstand aufweisen, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers verbunden sind. Dies ergibt eine sehr einfache Stromsummenbildung, wobei der jeweilige Einfluß des ersten und zweiten Verstärkers optimal einstellbar ist.
Des weiteren sollte der erste Verstärker mit Einstellmittel für ein P- oder PI-Verhalten versehen sein. Während in der kleinen Hegelschleife ein verhältnismäßig rasches Ansprechen erwünscht ist, kann in der größeren Regelschleife das Trägheitsverbalten der Kälteanlage optimal berücksichtigt werden. Dies geschieht am besten in Verbindung mit dem ersten Verstärker.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn ein mittels eines Potentiometers wählbarer Teil der Ausgangsspannung des
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ersten Verstärkers über einen Kondensator an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers gelegt ist. Bei dieser Schaltung kommt man auch bei verhältnismäßig großen Nachstellzeiten mit einem vergleichsweise kleinen Integrationskondensator aus. Die beiden Einstellwiderstände erlauben eine gengue Anpassung des P- und I-Verhaltens der Regelschaltung an die Kälteanlage.
Für das erste bzw. zweite Fühlerelement kommt insbesondere ein NTC-Widerstand in Betracht. Es kann aber auch ein Thermoelement verwendet werden. Manchmal eignet sich hierfür auch ein Ni- oder Pt-Fühler.
Mit besonderem Vorteil wird das zweite Fühlerelement durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden Leistungstransistors gebildet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: die Anordnung eines als Verdampferdruckregler in einer Kälteanlage angeordneten Ventils, das mit einer Regelschaltung gemäß der Erfindung betätigt wird,
Fig. 2: das Schaltbild einer Ausfübrungsform der Regel-. schaltung und
Fig. 3s ein Blockschaltbild der Regelschaltung.
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Fig. 1 zeigt ein Ventil 1, das in der Saugleitung 2 einer Kälteanlage angeordnet werden kann. Die Kälteanlage weist einen Verdichter 3 mit einer Druckleitung 4, einen Verflüssiger 5.» einen Sammler 6 und einen Verdampfer 7 auf. Ein Expansionsventil 8 wird von einem Fühler 9 in Abhängigkeit von der Sauggastemperatur gesteuert.
Das Ventil 1 weist ein Gehäuse .10 mit einem ringförmigen Einlaßkanal 11 und einem zentrischen Auslaßkanal 12 auf, die durch einen Ventilsitz 13 voneinander getrennt sind. Eine auch als Verscblußstück dienende Membran 14 ist zwischen einem Fiatisch 15 am Gehäuse 10 und einem Flansch einer Kapsel 17 befestigt, die oben durch einen schalenförmigen Deckel 18 abgeschlossen ist. Die Kapsel 17, der Deckel 18, eine Ringscheibe I9 und ein Balg 20 bilden einen Druckbehälter oder Bezugsdruckgeber 21. Dieser ist über ein Füllrohr 22 mit einem zweiphasigen Medium 23 gefüllt, das im unteren Teil in der Flussigkeitspbase und dem oberen Teil in der Dampfphase vorliegt. Der Boden 24 des Balges 20 hat die Querschnittsgröße des Ventilsitzes und liegt auf der Membran 14 auf. Durch den Deckel 18 gehen drei Stifte 25; 26 und 27. Eine Glasisolation 28 dient gleichzeitig als Dichtung. In der Flüssigkeitsphase ist ein Heizwiderstand 29 in der Form eines Wendeis aus•Widerstandsdraht und ein FIC-Temperaturfübler 30 angeordnet. Diese Teile sind mittels Stützdrähten 31 gehalten. Der Heizwiderstand 29 ist mit dem Stift 26 und der Masse 32 des Druckbehälters 21, der Temperaturfühler 30 mit den Stiften 25 und 27 verbunden. Durch vier Leitungen 33; 34; 35 und 36 sind die genannten Stifte und Masse mit einer Reglereinheit 37 verbunden«' Mit deren Hilfe kann im Druckbehälter 21 ein bestimmter Dampfdruck p^. erzeugt werden,
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der auf die zweite Druckfläche F2 wirk-b unti niit Hilfe eines Drehknopfes 38 justiert werden kann. In entgegengesetzter Richtung drückt der Verdampferdrück ρ auf die erste Druckfläche F und , wesentlich weniger wirksam, der Saugdruck pg auf eine Fläche F,,. Hierbei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.
In der Strömung 39 äes vom Verdampfer 7 gekühlten Mediums . liegt ein äußerer Temperaturfühler 40, der über Signalleitungen 41 ein elektrisches Temperatursignal an die Reglereinheit 37 abgibt. Diese weist einen weiteren Drehknopf 42 auf, mit dessen Hilfe der Sollwert der Temperatur des gekühlten Mediums eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck p^ im Druckbehälter 21 derart geregelt werden, daß die Temperatur des gekühlten Mediums den eingestellten Sollwert beibehält.
Das Medium 23 ist so gewählt, daß es beim Gleichgewichtszustand eine höhere Temperatur hat als das Kältemittel und als die Umgebungstemperatur. Wenn der Verdampferdruck erhöht werden soll, wird durch stärkere Beheizung die Temperatur des Mediums 23 erhöht. Soll dagegen der Verdampferdruck gesenkt werden, kann das Medium 23 durch Wärmeabgabe an das Kältemittel und die Umgebungsluft eine geringere Temperatur annehmen. Der Dampfdruck bleibt dann immer derselbe, gleichgültig wie weit das Ventil öffnen muß, um den gewünschten Verdampferdruck aufrechtzuerhalten.
Eine in diesem Zusammenhang verwendbare Regelschaltung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Eine erste Brücke B1 ist unter Verwendung von Vorschaltwiderständen R1 und R2 zwischen die Klemmen V+ und V- für die positive und negative
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Spannung gelegt. Die Brücke weist in ihrem einen Zweig einen festen Widerstand E3, ein Potentiometer B4, das mittels des Knopfes 42 verstellbar ist, und einen temperaturabhängig en Widerstand R5, der im Fühler 40 angeordnet ist, auf. Der andere Zweig besteht aus zwei festen Widerständen B6 und R7, welche den geerdeten Bezugspunkt der Brücke B1 festlegen.
Die beiden Diagonalspannungen werden über je einen Widerstand E8 und R9 an die beiden Eingänge eines ersten Verstärkers AL gelegt. Der invertierende Eingang ist über einen Widerstand E10, einem Einstellwiderstand R11 und einen festen Widerstand E12 mit dem geerdeten Bezugspunkt verbunden; diese Widerstände bilden daher einen von der Eingangsspannung gespeisten Spannungsteiler. Am Abgriff zwischen den Widerständen E10 und E11 ist eine Elektrode eines Kondensators C1 angeschlossen, dessen-andere Elektrode am Abgriff eines Potentiometers EI3 liegt. Dieses bildet zusammen mit einem festen Widerstand E14 einen von der Ausgangsspannung gespeisten Spannungsteiler.
Eine zweite Brücke B2 liegt unter Verwendung von Vorwiderständen EI5 und E16 zwischen den Spannungsquellen Vf und V-. Sie weist in dem einen Zweig einen temperaturabhängigen Widerstand E16 auf, der dem Fühlerwiderstand 30 entspricht, ferner ein Potentiometer EI7, mit dem eine Justierung möglich ist, und einen festen Widerstand E18. Der andere Zweig besteht aus zwei Widerständen EI9 und E20, zwischen denen sich ein geerdeter Bezugspunkt ergibt. Die Diagonalpunkte sind über die Widerstände E21 und E22 mit den Eingängen eines zweiten Verstärkers A2 verbunden, der mit einem Gegenkopplungswiderstand E23 versehen ist.
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In einer Summationsscbaltung S, die zwei einstellbare Widerstände R24 und E25 aufweist, über die die Ausgangssignale der. beiden Verstärker Δ1 und A2 einem dritten Verstärker A3 zugeführt werden, dessen anderer Eingang über einem Widerstand R26 an dem geerdeten Bezugspunkt liegt. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über einen Widerstand E27 mit einem aus zwei Transistoren Tr1 und Tr2 in Darlington-Schaltung bestehenden Transistorverstärker verbunden. In Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tr2 liegt ein Heizwiderstand B28, der dem Widerstand 29 entspricht. Das Emitterpotential wird über einen Widerstand E29 an den invertierenden Eingang des Verstärkers A3 rückgeführt.
Diese Schaltung ermöglicht eine proportionale Leistungsverstärkung der am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers A3 addierten Spannungen aus den beiden Operationsverstärkern A1 und A2. Mit Hilfe der veränderbaren Widerstände R24 und R25 ist es möglich, die Einflüsse aus den beiden Brücken B1 und B2 mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen« Mit Hilfe der Widerstände R11 und Ri 3 läßt sich der Proportionalitätsfaktor und die Integrationskonstante beim Verstärker A1 einstellen. Insgesamt läßt sich auf diese Weise eine Regelung erreichen, , bei der der Integrationskondensator 01 keine sehr großen Werte annehmen muß.
Die Regelschaltung der Fig. 2 ergibt zwei Regelschleifen, die kaskadenartig zusammenwirken, nämlich eine kleine Regelschleife I und eine größere Regelschleife II (Fig. 3). Die kleinere Regelschleife umfaßt die Summationsschaltung S, in der die Ausgangssignale der beiden Regelschleifen
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summiert werden, den Verstärker A3, in dem die· Summe mit einer festen Spannung verglichen wird, die Heizvorrichtung
29 "bzw. den Heizwiderstand R28, die eine quadratische Überführungsfunktion hat., den Bezugsdruckgeber 21, in welchem von der zugeführten Wärmeleistung die an das Kältemittel und die Umgebung abgeführte WärmeIeistung abgezogen wird, das zweiphasige Medium 23» dessen Temperatur sich mit einer gewissen "Verzögerung ändert, den Rückmeldetemperaturfühler
30 bzw. R16, dessen Temperatur und damit dessen Ausgangssignal sich ebenfalls mit einer gewissen Zeitverzögerung ändert, die zweite Brückenschaltung B2, in der das Temperatur. signal mit dem Sollwert verglichen wird, den zweiten Verstärker A2 und den Widerstand R25 der Summationsschaltung, die beide lediglich eine proportionale Änderung hervorrufen. In die größere Regelscbleife geht zwischen dem Ventil 1 und dem äußeren Fühler 40 bzw. R3 die aus der Kälteanlage und der von ihr gekühlten Luft bestehende Regelstrecke 43 ein, wobei eine Störgröße 44, z.B. unterschiedliche Eintrittstemperaturen der zu kühlenden Luft, Einfluß nimmt. Des weiteren gehören zur größeren Regelschleife die erste Brücke B1, wo das Temperatursignal des Fühlers mit dem am Potentiometer R4 eingestellten Sollwert verglichen wird, der Verstärker A1, der P- und I-Verhalten aufweist, der Widerstand R24 und. dann die mit der kleineren Schleife gemeinsamen Teile S, A3, 29, 21 und 23.
Es ist ersichtlich, daß die kleinere Regelschleife für sich optimal abgeglichen werden kann, daß die großen Verzögerungszeiten in der Regelschleife II gut von den P- und I-Einstellmöglichkeiten des Verstärkers A1 berücksichtigt werden können und daß die Anpassung der Schleifen aneinander mit Hilfe der Einstellwiderstände der Summations-
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schaltung möglieb ist.
Weitere Einflußmöglichkeiten sind gegeben, wenn in der Brücke B1 noch weitere Fühlerwiderstände vorgesehen werden. Beispielsweise können bei einem Expansionsventil der Fühlerwiderstand Ή.5 am Ende der Überhitzungsstrecke und ein zweiter Fühlerwiderstand B3 am Verdampfereintritt angeordnet werden. Es ist ferner möglich, das Integrationsverhalten temperaturabhängig zu steuern, beispielsweise wenn der Widerstand R14- temperaturabhängig gemacht wird. Auch andere Widerstände können einstellbar gemacht werden oder als Fühler-wirken.
Es bedarf nur geringfügiger Modifikationen, wenn als Temperaturfühler 30 öin Thermoelement eingesetzt wird oder wenn der Heizwiderstand 29 durch einen Leistungstransistor ersetzt wird. Auch wenn statt einer Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung verwendet wird, erfordert dies nur geringfügige Änderungen an der gesamten Schaltung. Als Kühlvorrichtung eignet sich beispielsweise ein Peltier-Element. Die Temperatur der Flüssigkeit 23 muß dann allerdings unterhalb derjenigen des Kältemittels oder der Umgebungsluft. liegen.
Claims (7)
1. Regelschaltung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhängigkeit von einer mittels eines äußeren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt wird, gekennzeichnet dadurch, daß sie
einen das Stellglied des Ventils (1) "beeinflussenden Bezugsdruckgeber (21), der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit (23) gefüllten Druckbehälter eine Heiz- oder Kühlvorrichtung (29; R28) und einen Eückmelde-Temperaturfühler (30) aufweist,
eine erste Brückenschaltung (B1) mit einem als äußeren Temperaturfühler (40) dienenden, ersten Fühlerelement (R5)» das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Sollwert-Einstellwiderstand (R4) sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (A1),
eine zweite Brückenschaltung (B2) mit einem als Rück-. melde-Temperaturfühler dienenden zweiten Fühlerelement (R16), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand (R17) sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (A2),
eine Summationssehaltung (S), in der die Ausgangssignale beider Verstärker gemischt werden,
und einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker (A3) mit nachgeschaltetem Stromregler (TrI'; Tr2), der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt, aufweist.
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2. Regelschaltung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Summationsschaltung (S) für jedes der Brückenverstärker-Ausgangssignale einen einstellbaren Eingangswiderstand (B24; R25) aufweist, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers (A3) verbunden sind.
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3. Regelschaltung nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Verstärker (A1) mit Einstellmittel (R11; RI3) für ein P- oder PI-Verhalten versehen ist.
4. Regelschaltung.nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß ein mittels eines Potentiometers (RI3) wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (A1) über einen Kondensator (C1) an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers (RIO; R11; R12) gelegt ist.
5. Regelschaltung nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das erste bzw. zweite Pühlerelement,(30; 40) durch einen NTC-Widerstand (R5; R16) gebildet ist.
6. Regelschaltung nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das erste bzw. zweite Fühlerelement (3O; 4-0) durch ein Thermoelement gebildet ist,
7. Regelschaltung nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Fühlerelement (30) durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden Leistungstransistors gebildet ist.
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