einführung in die ventiltechnik

EINFÜHRUNG IN DIE VENTILTECHNIK
Proportionalventile
ASCO-Magnetventile des Typs Posiflow®
ASCO hat eine Serie von Proportional-Magnetventilen
entwickelt, die unter dem eingetragenen Warenzeichen
Posiflow® vertrieben werden..
1 - Proportionalverhalten
Die meisten Magnetventile arbeiten nach dem ALLESODER-NICHTS-Prinzip, d.h. sie sind vollständig geöffnet
oder vollständig geschlossen. Proportionalventile weisen
dagegen ein Proportionalverhalten auf. Durch Änderung
des an einem Proportionalventil anliegenden elektrischen
Eingangssignals kann der Durchfluss des Mediums durch
das Ventil kontinuierlich, d.h. stufenlos, auf einen Wert
zwischen 0 und 100 % des maximalen Nenndurchflusses
eingestellt werden.
2 - Ventilkonstruktion
Das Proportionalverhalten wurde durch eine Änderung des
Magnetantriebs erreicht. Verglichen mit einem herkömmlichen AUF/ZU-Ventil verfügen Proportionalventile über die
folgenden neuen Komponenten (siehe Abb. 1):
3 - Funktionsprinzip (siehe Abb. 2 auf folgender Seite)
Der Durchflusskoeffizient Kv eines Durchfluss-Steuerventils
hängt vom zurückgelegten Weg (Verschiebung oder Hub s
des Magnetankers innerhalb des Führungsrohrs) ab. Bei
Proportional-Magnetventilen ist der Hub direkt proportional zu dem durch den Magneten fließenden Strom I.
Proportional-Magnetventile arbeiten nach dem Prinzip, dass
die von einem Elektromagneten hervorgerufene Anziehungskraft mit zunehmendem Magnetstrom Is steigt, wobei die
von der Feder ausgeübte Gegenkraft in dem Maße steigt,
wie die obere Feder komprimiert wird.
- Das Ventil bleibt geschlossen, wenn der Strom kleiner ist
als Io und die Feder-Vorspannkraft Fs größer ist als die
elektromagnetische Anziehungskraft Fm.
- Der Magnetanker wird bewegt, wenn der Strom den Wert
Io überschreitet und Fm größer ist als Fs. Dadurch wird die
Feder komprimiert und Fs erhöht. Dieser Vorgang dauert
so lange, bis sich die neuen Werte Fs und Fm wieder im
Gleichgewicht befinden.
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Änderungen vorbehalten.
Durch Einstellung der Federkraft mit der Einstellschraube
wird die Federkraft erhöht oder verringert. Dies ermöglicht
eine Feineinstellung, um Fertigungstoleranzen auszugleichen und gleichmäßige Durchflusseigenschaften zu
erhalten.
4 - Spannungsversorgung
Das Posiflow®-Proportional-Magnetventil kann durch die
Steuerung des Magnetstroms Is geöffnet oder geschlossen
werden. Der Magnetstrom Is wird durch Steuerung der Magnetspannung Us gesteuert. Diese kann von verschiedenen
Quellen bereitgestellt werden wie z.B.
- von einer einfachen 0-24 V DC-Spannungsversorgung,
-von einer pulsbreitenmodulierten Versorgungsspannung.
Um das Ventil auf einer bestimmten Position zu halten, sollte
der Magnetstrom Is zwischen 100 mA (Io) und 500 mA (Imax.)
liegen und unabhängig von Änderungen des Magnetwiderstands aufgrund von Schwankungen in der Umgebungs- oder
Mediumtemperatur sein.
5 - Ansprechempfindlichkeit
Die Ansprechzeit der Proportional-Magnetventile liegt im
Millisekunden-Bereich, d.h. dass das Ventil auf Änderungen
des elektrischen Eingangssignals sehr schnell reagiert.
Die dynamische Ansprechzeit kennzeichnet die dynamischen
Eigenschaften eines Proportional-Magnetventils. Sie spezifiziert den Unterschied zwischen dem Zeitpunkt der Änderung
der elektrischen Eingangsgröße und dem Zeitpunkt, zu dem
der Magnetanker seine neue Position erreicht hat.
Bei Proportional-Magnetventilen liegt diese Zeit typischerweise im Bereich zwischen 25 und 60 ms.
Teile eines Proportional-Magnetventils
Einstellschraube
Gegenanker
Magnet
Feder
Remanenzscheibe
Führungsrohr
Magnetanker
Abb. 1
Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de
V020-1
A
Proportionalventile - EINFÜHRUNG IN DIE VENTILTECHNIK
6 - Merkmale der Durchflussregelung (Abb. 2)
Die Betriebseigenschaften eines Regelventils für Durchfluss
können anhand einer Durchflusskurve erläutert werden.
Linearität
Durchflusskurven weisen im allgemeinen sowohl am oberen
als auch am unteren Ende eine Krümmung auf. Die (Nicht-)
Linearität kennzeichnet den Grad der Abweichung der tatsächlichen Durchflusskurve von einer idealen Gerade und
wird als Prozentsatz innerhalb eines spezifizierten linearen
Bereiches der Kurve angegeben.
Hysterese
Der Durchflussrate-Unterschied bei einem bestimmten
elektrischen Signal. Dieser Unterschied hängt davon ab,
ob der Sollwert von „unten“, d.h. bei einer Erhöhung des
elektrischen Eingangssignals, oder von „oben“, d.h. bei einer
Verringerung des elektrischen Eingangssignals, erreicht
wurde. Die Hysterese wird als Prozentsatz der maximalen
Durchflussrate spezifiziert.
Schwellenwert
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die
erforderlich ist, um, ausgehend von Null, eine messbare
Durchflussrate zu verursachen. Der Schwellenwert wird als
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes
spezifiziert.
Ansprechempfindlichkeit
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die erforderlich ist, um eine wahrnehmbare Änderung der Durchflussrate zu verursachen, wenn das Ventil aus dem stationären Zustand in die der Ausgangsrichtung entsprechende
Richtung bewegt wird. Die Ansprechempfindlichkeit wird als
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes
spezifiziert.
Gegenempfindlichkeit
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die erforderlich ist, um eine wahrnehmbare Änderung der Durchflussrate zu verursachen, wenn das Ventil aus dem stationären
Zustand in die der Ausgangsrichtung entgegengesetzte
Richtung bewegt wird. Die Gegenempfindlichkeit wird als
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes
spezifiziert.
Zwischen den vorstehenden Durchflussregelparametern
besteht ein enger Zusammenhang. Sie sind auf zahlreiche
Q
3
2
max
Durchfluss (Q)
6
7 - Merkmale der Proportionalventile
- Geschlossene Regelkreise - Da die Ventile über elektrische Eingangssignale von Sensoren geregelt werden,
können sie in völlig neuen Anwendungen in geschlossenen
Regelkreisen zur Durchflussregelung eingesetzt werden.
- Betriebssicheres Verhalten - Bei einem Ausfall der
Versorgungsspannung oder bei einer Unterbrechung des
elektrischen Eingangssignals werden die Ventile sofort
geschlossen; diese Eigenschaft stellt in vielen Fällen ein
wichtiges Sicherheitsmerkmal dar.
- Hohe Lebensdauer, geringe Wartung - ProportionalMagnetventile verfügen nur über ein einziges bewegliches
Teil, dem Magneranker. Dieser wird mit Hilfe von zwei
Gleitringen aus glasfaserverstärktem PTFE geführt.
8 - Steckerverstärker (Abb. 3)
Der Steckerverstärker von ASCO stellt eine einfache Methode zum Betrieb des Posiflow®-Ventils dar. Er ist für
alle Standardregelsignale der in modernen Regelsystemen
verwendeten Sensoren und Messumformer ausgelegt. Die
Spannungsversorgung des Magnets wird mit Hilfe einer
Pulsbreitenmodulation geregelt. Eine wichtige integrierte
Funktion hält den Magnetstrom konstant (bei einem bestimmten Regelsignal). Dieser ist unabhängig von Abweichungen im Magnetwiderstand oder Schwankungen in der
Versorgungsspannung.
Die Pulsbreite wird durch das Regelsignal Ui (Ii) entweder
als Spannung oder Strom bestimmt.
Es können verschiedene Regelsignale (0-10 VDC, 4-20 mA,
0-20 mA) gewählt werden.
1
4
7
5
Is
0
I0
I max
Elektrisches Eingangssignal (I)
Abb. 2
Erhöhung des Magnetstroms 5 Gegenempfindlichkeit
2
Linearer Durchflussbereich
3
Reduzierung des Magnetstroms 7 Ansprechempfindlichkeit
4
Durchflusshysterese
6
8
Durchflusslinearität
Schwelle
Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de
V020-2
Spannung
0
U (V)
I/F
Ugem 6V
1
2
24
0
Ugem 12V
1
2
24
0
Ugem 18V
1
2
24
Ugem 24V
0
1
2
t (m/sec)
Magnetstrom (~ magnetische Kraft)
Abb. 3
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Änderungen vorbehalten.
24
8
1
Faktoren zurückzuführen, die im folgenden nach ihrer Bedeutung aufgeführt sind:
- Konvertierung des elektromagnetischen Signals (elektromagnetische Hysterese,
- Reibung zwischen den beweglichen und statischen Komponenten des Ventils,
- Spiel bei der mechanischen Übertragung zwischen dem
Magnetanker und dem Ventilsitz sowie
- Änderungen des Druckgefälles (∆P) innerhalb des Ventils.
Reproduzierbarkeit
Wenn ein Ventil unter genau denselben Bedingungen eingesetzt wird (d.h. identisches Medium, Druckgefälle ∆P,
elektrisches Eingangssignal, Annäherung aus der gleichen
Richtung usw.) ergeben sich geringe Unterschiede im Durchfluss bei wiederholtem Einregeln desselben vorgewählten
Sollwerts. Die Abweichungen werden durch die Prozentangabe für die Reproduzierbarkeit spezifiziert.