EINFÜHRUNG IN DIE VENTILTECHNIK - ASCO Numatics
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<strong>E<strong>IN</strong>FÜHRUNG</strong> <strong>IN</strong> <strong>DIE</strong> <strong>VENTILTECHNIK</strong><br />
Proportionalventile<br />
<strong>ASCO</strong>-Magnetventile des Typs Posiflow®<br />
<strong>ASCO</strong> hat eine Serie von Proportional-Magnetventilen<br />
entwickelt, die unter dem eingetragenen Warenzeichen<br />
Posiflow® vertrieben werden..<br />
1 - Proportionalverhalten<br />
Die meisten Magnetventile arbeiten nach dem ALLES-<br />
ODER-NICHTS-Prinzip, d.h. sie sind vollständig geöffnet<br />
oder vollständig geschlossen. Proportionalventile weisen<br />
dagegen ein Proportionalverhalten auf. Durch Änderung<br />
des an einem Proportionalventil anliegenden elektrischen<br />
Eingangssignals kann der Durchfluss des Mediums durch<br />
das Ventil kontinuierlich, d.h. stufenlos, auf einen Wert<br />
zwischen 0 und 100 % des maximalen Nenndurchflusses<br />
eingestellt werden.<br />
2 - Ventilkonstruktion<br />
Das Proportionalverhalten wurde durch eine Änderung des<br />
Magnetantriebs erreicht. Verglichen mit einem herkömmlichen<br />
AUF/ZU-Ventil verfügen Proportionalventile über die<br />
folgenden neuen Komponenten (siehe Abb. 1):<br />
3 - Funktionsprinzip (siehe Abb. 2 auf folgender Seite)<br />
Der Durchflusskoeffizient Kv eines Durchfluss-Steuerventils<br />
hängt vom zurückgelegten Weg (Verschiebung oder Hub s<br />
des Magnetankers innerhalb des Führungsrohrs) ab. Bei<br />
Proportional-Magnetventilen ist der Hub direkt proportional<br />
zu dem durch den Magneten fließenden Strom I.<br />
Proportional-Magnetventile arbeiten nach dem Prinzip, dass<br />
die von einem Elektromagneten hervorgerufene Anziehungskraft<br />
mit zunehmendem Magnetstrom I s<br />
steigt, wobei die<br />
von der Feder ausgeübte Gegenkraft in dem Maße steigt,<br />
wie die obere Feder komprimiert wird.<br />
- Das Ventil bleibt geschlossen, wenn der Strom kleiner ist<br />
als I o<br />
und die Feder-Vorspannkraft F s<br />
größer ist als die<br />
elektromagnetische Anziehungskraft F m<br />
.<br />
- Der Magnetanker wird bewegt, wenn der Strom den Wert<br />
I o<br />
überschreitet und F m<br />
größer ist als F s<br />
. Dadurch wird die<br />
Feder komprimiert und F s<br />
erhöht. Dieser Vorgang dauert<br />
so lange, bis sich die neuen Werte F s<br />
und F m<br />
wieder im<br />
Gleichgewicht befinden.<br />
Durch Einstellung der Federkraft mit der Einstellschraube<br />
wird die Federkraft erhöht oder verringert. Dies ermöglicht<br />
eine Feineinstellung, um Fertigungstoleranzen auszugleichen<br />
und gleichmäßige Durchflusseigenschaften zu<br />
erhalten.<br />
4 - Spannungsversorgung<br />
Das Posiflow®-Proportional-Magnetventil kann durch die<br />
Steuerung des Magnetstroms I s<br />
geöffnet oder geschlossen<br />
werden. Der Magnetstrom I s<br />
wird durch Steuerung der Magnetspannung<br />
U s<br />
gesteuert. Diese kann von verschiedenen<br />
Quellen bereitgestellt werden wie z.B.<br />
- von einer einfachen 0-24 V DC-Spannungsversorgung,<br />
- von einer pulsbreitenmodulierten Versorgungsspannung.<br />
Um das Ventil auf einer bestimmten Position zu halten, sollte<br />
der Magnetstrom I s<br />
zwischen 100 mA (I o<br />
) und 500 mA (I max.<br />
)<br />
liegen und unabhängig von Änderungen des Magnetwiderstands<br />
aufgrund von Schwankungen in der Umgebungs- oder<br />
Mediumtemperatur sein.<br />
5 - Ansprechempfindlichkeit<br />
Die Ansprechzeit der Proportional-Magnetventile liegt im<br />
Millisekunden-Bereich, d.h. dass das Ventil auf Änderungen<br />
des elektrischen Eingangssignals sehr schnell reagiert.<br />
Die dynamische Ansprechzeit kennzeichnet die dynamischen<br />
Eigenschaften eines Proportional-Magnetventils. Sie spezifiziert<br />
den Unterschied zwischen dem Zeitpunkt der Änderung<br />
der elektrischen Eingangsgröße und dem Zeitpunkt, zu dem<br />
der Magnetanker seine neue Position erreicht hat.<br />
Bei Proportional-Magnetventilen liegt diese Zeit typischerweise<br />
im Bereich zwischen 25 und 60 ms.<br />
Teile eines Proportional-Magnetventils<br />
Einstellschraube<br />
Gegenanker<br />
Magnet<br />
Feder<br />
Remanenzscheibe<br />
Führungsrohr<br />
Magnetanker<br />
A<br />
00009DE-2005/R01<br />
Änderungen vorbehalten.<br />
Abb. 1<br />
Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de<br />
V020-1
Proportionalventile - <strong>E<strong>IN</strong>FÜHRUNG</strong> <strong>IN</strong> <strong>DIE</strong> <strong>VENTILTECHNIK</strong><br />
6 - Merkmale der Durchflussregelung (Abb. 2)<br />
Die Betriebseigenschaften eines Regelventils für Durchfluss<br />
können anhand einer Durchflusskurve erläutert werden.<br />
Linearität<br />
Durchflusskurven weisen im allgemeinen sowohl am oberen<br />
als auch am unteren Ende eine Krümmung auf. Die (Nicht-)<br />
Linearität kennzeichnet den Grad der Abweichung der tatsächlichen<br />
Durchflusskurve von einer idealen Gerade und<br />
wird als Prozentsatz innerhalb eines spezifizierten linearen<br />
Bereiches der Kurve angegeben.<br />
Hysterese<br />
Der Durchflussrate-Unterschied bei einem bestimmten<br />
elektrischen Signal. Dieser Unterschied hängt davon ab,<br />
ob der Sollwert von „unten“, d.h. bei einer Erhöhung des<br />
elektrischen Eingangssignals, oder von „oben“, d.h. bei einer<br />
Verringerung des elektrischen Eingangssignals, erreicht<br />
wurde. Die Hysterese wird als Prozentsatz der maximalen<br />
Durchflussrate spezifiziert.<br />
Schwellenwert<br />
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die<br />
erforderlich ist, um, ausgehend von Null, eine messbare<br />
Durchflussrate zu verursachen. Der Schwellenwert wird als<br />
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes<br />
spezifiziert.<br />
Ansprechempfindlichkeit<br />
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die erforderlich<br />
ist, um eine wahrnehmbare Änderung der Durchflussrate<br />
zu verursachen, wenn das Ventil aus dem stationären<br />
Zustand in die der Ausgangsrichtung entsprechende<br />
Richtung bewegt wird. Die Ansprechempfindlichkeit wird als<br />
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes<br />
spezifiziert.<br />
Gegenempfindlichkeit<br />
Die Änderung des elektrischen Eingangssignals, die erforderlich<br />
ist, um eine wahrnehmbare Änderung der Durchflussrate<br />
zu verursachen, wenn das Ventil aus dem stationären<br />
Zustand in die der Ausgangsrichtung entgegengesetzte<br />
Richtung bewegt wird. Die Gegenempfindlichkeit wird als<br />
Prozentsatz des maximalen elektrischen Eingangswertes<br />
spezifiziert.<br />
Zwischen den vorstehenden Durchflussregelparametern<br />
besteht ein enger Zusammenhang. Sie sind auf zahlreiche<br />
Durchfluss (Q)<br />
Q<br />
max<br />
0<br />
I0<br />
Imax<br />
Elektrisches Eingangssignal (I)<br />
Abb. 2<br />
1 Erhöhung des Magnetstroms 5 Gegenempfindlichkeit<br />
2 Linearer Durchflussbereich 6 Durchflusslinearität<br />
3 Reduzierung des Magnetstroms 7 Ansprechempfindlichkeit<br />
4 Durchflusshysterese 8 Schwelle<br />
Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de<br />
V020-2<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2 3<br />
5<br />
7<br />
1<br />
Is<br />
Faktoren zurückzuführen, die im folgenden nach ihrer Bedeutung<br />
aufgeführt sind:<br />
- Konvertierung des elektromagnetischen Signals (elektromagnetische<br />
Hysterese,<br />
- Reibung zwischen den beweglichen und statischen Komponenten<br />
des Ventils,<br />
- Spiel bei der mechanischen Übertragung zwischen dem<br />
Magnetanker und dem Ventilsitz sowie<br />
- Änderungen des Druckgefälles (∆P) innerhalb des Ventils.<br />
Reproduzierbarkeit<br />
Wenn ein Ventil unter genau denselben Bedingungen eingesetzt<br />
wird (d.h. identisches Medium, Druckgefälle ∆P,<br />
elektrisches Eingangssignal, Annäherung aus der gleichen<br />
Richtung usw.) ergeben sich geringe Unterschiede im Durchfluss<br />
bei wiederholtem Einregeln desselben vorgewählten<br />
Sollwerts. Die Abweichungen werden durch die Prozentangabe<br />
für die Reproduzierbarkeit spezifiziert.<br />
7 - Merkmale der Proportionalventile<br />
- Geschlossene Regelkreise - Da die Ventile über elektrische<br />
Eingangssignale von Sensoren geregelt werden,<br />
können sie in völlig neuen Anwendungen in geschlossenen<br />
Regelkreisen zur Durchflussregelung eingesetzt werden.<br />
- Betriebssicheres Verhalten - Bei einem Ausfall der<br />
Versorgungsspannung oder bei einer Unterbrechung des<br />
elektrischen Eingangssignals werden die Ventile sofort<br />
geschlossen; diese Eigenschaft stellt in vielen Fällen ein<br />
wichtiges Sicherheitsmerkmal dar.<br />
- Hohe Lebensdauer, geringe Wartung - Proportional-<br />
Magnetventile verfügen nur über ein einziges bewegliches<br />
Teil, dem Magneranker. Dieser wird mit Hilfe von zwei<br />
Gleitringen aus glasfaserverstärktem PTFE geführt.<br />
8 - Steckerverstärker (Abb. 3)<br />
Der Steckerverstärker von <strong>ASCO</strong> stellt eine einfache Methode<br />
zum Betrieb des Posiflow®-Ventils dar. Er ist für<br />
alle Standardregelsignale der in modernen Regelsystemen<br />
verwendeten Sensoren und Messumformer ausgelegt. Die<br />
Spannungsversorgung des Magnets wird mit Hilfe einer<br />
Pulsbreitenmodulation geregelt. Eine wichtige integrierte<br />
Funktion hält den Magnetstrom konstant (bei einem bestimmten<br />
Regelsignal). Dieser ist unabhängig von Abweichungen<br />
im Magnetwiderstand oder Schwankungen in der<br />
Versorgungsspannung.<br />
Die Pulsbreite wird durch das Regelsignal U i<br />
(I i<br />
) entweder<br />
als Spannung oder Strom bestimmt.<br />
Es können verschiedene Regelsignale (0-10 VDC, 4-20 mA,<br />
0-20 mA) gewählt werden.<br />
Spannung<br />
24<br />
0<br />
24<br />
0<br />
24<br />
0<br />
24<br />
0<br />
U (V)<br />
1 2<br />
1 2<br />
1 2<br />
1 2<br />
Ugem 6V<br />
Ugem 12V<br />
Ugem 18V<br />
Ugem 24V<br />
t (m/sec)<br />
Magnetstrom (~ magnetische Kraft) Abb. 3<br />
I/F<br />
00009DE-2005/R01<br />
Änderungen vorbehalten.