DE102019105515A1 - Diaphragm control valve - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Membranregelventil, umfassend ein Membranventil und eine Ventilsteuerung. Das Membranventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Durchflusskanal, eine Membran und einen Aktor auf. Die Ventilsteuerung umfasst ein Stellglied (16). Die Ventilsteuerung umfasst ein Korrekturglied (12) und hält eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien (120) vor. Die Ventilsteuerung ist derart eingerichtet, dass ein Benutzer eine der Korrekturkennlinien (120) auswählen kann und das Korrekturglied (12) mit der ausgewählten Korrekturkennlinie (120) aus einem vorgegebenen Stellungssollwert (CMD) einen korrigierten Stellungssollwert (CMD*) ermittelt. Das Stellglied (16) ist ausgebildet, aus dem korrigierten Stellungssollwert (CMD*) eine Stellgröße (CTRL) zu ermitteln und mit der Stellgröße (CTRL) den Aktor derart anzusteuern, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie aufweist.

Figure DE102019105515A1_0000
The invention relates to a diaphragm control valve comprising a diaphragm valve and a valve control. The diaphragm valve has a valve housing with a flow channel, a diaphragm and an actuator. The valve control comprises an actuator (16). The valve control comprises a correction element (12) and holds a plurality of predefined correction characteristic curves (120). The valve control is set up in such a way that a user can select one of the correction characteristics (120) and the correction element (12) with the selected correction characteristic (120) determines a corrected position target value (CMD *) from a predetermined position target value (CMD). The actuator (16) is designed to determine a manipulated variable (CTRL) from the corrected position setpoint (CMD *) and to control the actuator with the manipulated variable (CTRL) in such a way that the diaphragm control valve has a predetermined diaphragm control valve characteristic.
Figure DE102019105515A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranregelventil.The invention relates to a diaphragm control valve.

Häufig werden Sitzventile mit einer linearen oder gleichprozentigen Ventilkennlinie als Regelventile genutzt. Ein solches Sitzventil ist beispielsweise aus der DE1828930U bekannt.Seat valves with a linear or equal-percentage valve characteristic are often used as control valves. Such a seat valve is for example from DE1828930U known.

Membranventile, wie in der DE102016124805A1 offenbart, sind wiederum dafür bekannt, dass sie sich aufgrund ihrer extrem nichtlinearen Ventilkennlinien nur in Ausnahmefällen als Regelventil nutzen lassen, da mit ihnen Prozesse nur schwer oder gar nicht regelbar sind. Soll ein Membranventil als Regelventil einsetzbar sein, so kann zum heutigen Tage beispielsweise auf eine Sonderform der Membranventile zurückgegriffen werden, wie sie beispielhaft in der DE102015205127A1 und DE102013215294A1 offenbart sind. Hier finden besonders ausgeformte parabolkegelförmige Membranen Anwendung. Die Ventilkennlinie wird dabei über die Ausgestaltung der Membran, insbesondere über die Form der Membran, eingestellt. Bei den genannten Membranregelventilen entspricht der Parabolkegel von der Form her im Wesentlichen dem Regelkegel aus der DE1828930U . Eine Anpassung der Ventilkennlinie erfordert somit den Ausbau und Austausch der Membran. Dies ist mit einem hohen Aufwand verbunden und führt ggf. zu längeren Betriebsunterbrechungen.Diaphragm valves, as in the DE102016124805A1 disclosed, are in turn known for the fact that, due to their extremely non-linear valve characteristics, they can only be used as a control valve in exceptional cases, since processes can only be controlled with difficulty or not at all. If a diaphragm valve is to be used as a control valve, a special form of diaphragm valve can be used today, as is exemplified in FIG DE102015205127A1 and DE102013215294A1 are disclosed. Particularly shaped parabolic cone-shaped membranes are used here. The valve characteristic is set via the design of the diaphragm, in particular via the shape of the diaphragm. In the above-mentioned diaphragm control valves, the shape of the parabolic cone essentially corresponds to the control cone from FIG DE1828930U . Adaptation of the valve characteristic therefore requires the membrane to be removed and replaced. This is associated with a lot of effort and may lead to longer business interruptions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bestehenden Lösungen zu überwinden.The invention is based on the object of overcoming the disadvantages of the existing solutions.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claim.

Das erfindungsgemäße Membranregelventil umfasst ein Membranventil und eine Ventilsteuerung. Das Membranventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Durchflusskanal, eine Membran und einen Aktor auf. Die Membran verhindert, dass Fluid aus dem Durchflusskanal austreten kann oder kontaminiert wird. Die Membran dichtet den Durchflusskanal gegenüber dem Aktor ab.The diaphragm control valve according to the invention comprises a diaphragm valve and a valve control. The diaphragm valve has a valve housing with a flow channel, a diaphragm and an actuator. The membrane prevents fluid from leaking out of the flow channel or from being contaminated. The membrane seals the flow channel from the actuator.

Die Ventilsteuerung umfasst zumindest ein Stellglied. Das Stellglied kann einen Stellungsregler und einen Stellungsregelkreis umfassen.The valve control comprises at least one actuator. The actuator can comprise a position controller and a position control loop.

Gemäß einem Aspekt umfasst die Ventilsteuerung ein Korrekturglied. Die Ventilsteuerung, insbesondere das Korrekturglied, kann eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien vorhalten. Die Korrekturkennlinien können Korrekturinformationen umfassen.According to one aspect, the valve control comprises a correction element. The valve control, in particular the correction element, can hold a plurality of predefined correction characteristics. The correction characteristics can include correction information.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Ventilsteuerung derart eingerichtet sein, dass ein Benutzer eine der Korrekturkennlinien auswählen kann und das Korrekturglied mit der ausgewählten Korrekturkennlinie aus einem vorgegebenen Stellungssollwert einen korrigierten Stellungssollwert ermittelt.According to a further aspect, the valve control can be set up in such a way that a user can select one of the correction characteristics and the correction element with the selected correction characteristic determines a corrected position desired value from a predetermined position desired value.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Stellglied ausgebildet sein, aus dem korrigierten Stellungssollwert eine Stellgröße zu ermitteln und mit der Stellgröße ein Antriebsteil des Membranregelventils, insbesondere einen Aktor, anzusteuern. Der Aktor nimmt basierend auf der Stellgröße eine bestimmte Funktionsstellung ein, wodurch schlussendlich ein Durchfluss des Membranregelventils bestimmt wird.According to a further aspect, the actuator can be designed to determine a manipulated variable from the corrected nominal position value and to use the manipulated variable to control a drive part of the diaphragm control valve, in particular an actuator. Based on the manipulated variable, the actuator assumes a specific functional position, which ultimately determines the flow rate of the diaphragm control valve.

Durch die vorstehenden Aspekte wird erreicht, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie aufweist. Die Membranregelventilkennlinie beschreibt das Verhalten des Membranregelventils. Die Membranregelventilkennlinie ist durch die Wahl der Korrekturkennlinie änderbar. Die Membranventilkennlinie bildet die Abhängigkeit des Kv-Wertes vom Hub (bzw. dem Stellungssollwert) des Membranregelventils ab. Unter dem Kv-Wert versteht man den Durchfluss in m3/h von Wasser bei 5 - 30°C, der bei einem Druckverlust von 1 bar durch das Ventil bei dem jeweiligen Hub hindurchtritt. Somit ist der Kv-Wert ein auf die genannten Einheitsbedingungen bezogener Durchfluss. In anderen Worten kann man unter der Membranregelventilkennlinie die Abhängigkeit des Kv-Werts vom Hub des Aktors verstehen. Die Membranregelventilkennlinie wiederum wird aus der Membranventilkennlinie und der Korrekturkennlinie gebildet. Stellventile werden dabei üblicherweise entweder mit einer gleichprozentigen oder mit einer linearen Kennlinie ausgeführt. Die gleichprozentige Kennlinie ist dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Hubänderungen gleiche prozentuale Änderungen des jeweiligen Kv-Werts bedingen. Bei einer linearen Kennlinie bewirken gleiche Hubänderungen gleiche Änderungen des Kv-Werts. Antriebe setzen das Stellsignal, das beispielsweise von einem Stellungsregler oder einem Stellglied kommt, in eine Hubbewegung des Stellventils (Kegelstange mit Ventilkegel) um.The above aspects achieve that the diaphragm control valve has a predetermined diaphragm control valve characteristic. The diaphragm control valve characteristic describes the behavior of the diaphragm control valve. The diaphragm control valve characteristic can be changed by selecting the correction characteristic. The diaphragm valve characteristic shows the dependence of the Kv value on the stroke (or the position setpoint) of the diaphragm control valve. The Kv value is understood to be the flow rate in m 3 / h of water at 5 - 30 ° C, which passes through the valve at the respective stroke at a pressure loss of 1 bar. The Kv value is therefore a flow rate based on the specified standard conditions. In other words, the diaphragm control valve characteristic can be understood as the dependence of the Kv value on the stroke of the actuator. The diaphragm control valve characteristic is in turn formed from the diaphragm valve characteristic and the correction characteristic. Control valves are usually designed with either an equal percentage or a linear characteristic. The equal percentage characteristic is characterized in that the same stroke changes require the same percentage changes in the respective Kv value. With a linear characteristic, the same changes in stroke cause the same changes in the Kv value. Actuators convert the control signal, which comes from a positioner or an actuator, for example, into a stroke movement of the control valve (plug stem with valve plug).

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann das Membranregelventil zusätzlich einen Prozessregler umfassen. Insbesondere kann der Prozessregler ein Teil der Ventilsteuerung sein. Der Prozessregler kann ausgebildet sein, aus einem Prozesssollwert und einem Prozessistwert den (vorgegebenen) Stellungssollwert zu ermitteln. Das Membranregelventil ist deshalb vorteilhaft so eingerichtet, dass eine Abweichung des Prozessistwerts vom Prozesssollwert bestimmbar ist, so dass ein Stellungssollwert ermittelt werden kann und schlussendlich die Abweichung ausgeglichen werden kann. Der Stellungssollwert kann basierend auf der ausgewählten Korrekturkennlinie korrigiert werden (als korrigierter Stellungssollwert).According to an advantageous aspect, the diaphragm control valve can additionally include a process controller. In particular, the process controller can be part of the valve control. The process controller can be designed to determine the (predetermined) position setpoint from a process setpoint and a process actual value. The diaphragm control valve is therefore advantageously set up in such a way that a deviation of the process actual value from the process setpoint value can be determined so that a position setpoint value can be determined and ultimately the deviation can be compensated for. The position setpoint can be corrected based on the selected correction characteristic (as a corrected position setpoint).

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann der Prozessregler kontinuierlich einen Stellungssollwert an das Korrekturglied ausgeben. Der Stellungssollwert korreliert mit einer Stellung des Membranventils. Dabei liegt der Stellungssollwert in einem Bereich, der einer Ventilstellung zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen entspricht. Ein entsprechender Sensor (bspw. Positionssensor) kann dann die Stellungsistwerte des Membranventils (z.B. eines Aktors des Membranventils) erfassen und ausgeben. Ein Prozesssensor kann einen Prozessistwert erfassen, der zum Prozessregler zurückgeführt werden kann. Der Prozesssensor kann beispielsweise ein Temperaturfühler Pt100 sein, dessen Ausgangssignal zum Prozessregler geführt werden kann. Alternativ kann der Prozesssensor aber auch einen Transmitter umfassen, der ein umgewandeltes bzw. normiertes Sensorsignal an den Prozessregler weiterleitet. Typische Prozesssensoren messen eine physikalische Größe eines Mediums, wie Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit.According to an advantageous aspect, the process controller can continuously output a desired position value to the correction element. The position setpoint correlates with a position of the diaphragm valve. The position setpoint is in a range that corresponds to a valve position between fully open and fully closed. A corresponding sensor (e.g. position sensor) can then record and output the actual position values of the diaphragm valve (e.g. an actuator of the diaphragm valve). A process sensor can record an actual process value that can be fed back to the process controller. The process sensor can, for example, be a Pt100 temperature sensor whose output signal can be fed to the process controller. Alternatively, however, the process sensor can also comprise a transmitter which forwards a converted or standardized sensor signal to the process controller. Typical process sensors measure a physical quantity of a medium, such as flow rate, pressure, temperature, pH value or conductivity.

Aufgrund meist nichtlinearer Zusammenhänge zwischen Membranventilstellung und Prozessistwert kann der vom Prozessregler generierte Stellungssollwert mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem korrigierten Stellungssollwert angepasst werden. Die Anpassung geschieht dabei mit Hilfe des Korrekturglieds. Im Korrekturglied können Korrekturwerte (Korrekturkennlinie) basierend auf ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten hinterlegt werden. Mit den Korrekturwerten können unmittelbar am Korrekturglied aus den erhaltenen unkorrigierten (vorgegebenen) Stellungssollwerten korrigierte Stellungssollwerte berechnet werden. Die korrigierten Stellungssollwerte dienen dazu, die Nicht-Linearitäten der Membranventilkennlinie des Membranventils zu kompensieren, sodass ein lineares Gesamtverhalten der geregelten Anlage erreicht wird. Dadurch wird die Gesamtregelgüte erhöht. Der Korrekturvorgang kann bei Änderungen des Prozesses oder Änderungen oder dem Austausch von Komponenten des Prozessregelkreises erneut begonnen werden.Due to the mostly non-linear relationships between the diaphragm valve position and the actual process value, the desired position value generated by the process controller can be adapted to a corrected desired position value using the method according to the invention. The adjustment is done with the help of the correction element. Correction values (correction characteristic curve) based on determined value pairs of actual position values and actual process values can be stored in the correction element. With the correction values, corrected desired position values can be calculated directly on the correction element from the received uncorrected (predetermined) desired position values. The corrected position setpoints are used to compensate for the non-linearities of the diaphragm valve characteristic curve of the diaphragm valve, so that a linear overall behavior of the controlled system is achieved. This increases the overall control quality. The correction process can be restarted if the process changes or if components of the process control loop are changed or replaced.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann das Membranregelventil einen Stellungsregelkreis umfassen. Der Stellungsregelkreis kann das Stellglied, einen Stellungsregler und einen Sensor, insbesondere einen Positionssensor umfassen. Der Positionssensor kann eingerichtet sein, eine Position (Stellungsistwert) einer den Durchfluss bestimmenden Komponente des Membranregelventils, insbesondere des Aktors, zu bestimmen. Der Positionssensor kann eingerichtet sein, die bestimmte Position (Stellungsistwert) an den Stellungsregler zu übermitteln. Der Stellungsregler kann ferner eingerichtet sein, vom Korrekturglied den korrigierten Stellungssollwert zu erhalten. Der Stellungsregler kann dann derart ausgebildet sein, dass er die Abweichung (Regeldifferenz) des Stellungsistwerts vom korrigierten Stellungssollwert bestimmt und basierend auf der Abweichung (Regeldifferenz) die Stellgröße bereitstellt. Die Stellgröße kann dann vom Stellglied an das Antriebsteil des Membranregelventils, insbesondere den Aktor, ausgegeben werden. Entsprechend der Regeldifferenz zwischen korrigiertem Stellungssollwert und Stellungsistwert kann dann vom Stellsystem z.B. eine Be- bzw. Entlüftung des Membranventils durchgeführt werden.According to a further advantageous aspect, the diaphragm control valve can comprise a position control loop. The position control loop can include the actuator, a position controller and a sensor, in particular a position sensor. The position sensor can be set up to determine a position (actual position value) of a component of the diaphragm control valve that determines the flow rate, in particular of the actuator. The position sensor can be set up to transmit the specific position (actual position value) to the positioner. The position controller can also be set up to receive the corrected nominal position value from the correction element. The position controller can then be designed in such a way that it determines the deviation (control difference) of the actual position value from the corrected position setpoint and provides the manipulated variable based on the deviation (control difference). The manipulated variable can then be output from the actuator to the drive part of the diaphragm control valve, in particular the actuator. Depending on the control difference between the corrected position setpoint and the actual position value, the positioning system can e.g. the membrane valve can be ventilated or vented.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Mehrzahl von Korrekturkennlinien eine Korrekturkennlinie für eine lineare Regelcharakteristik des Membranregelventils und/oder zumindest eine weitere Korrekturkennlinie für eine gleichprozentige Regelcharakteristik des Membranregelventils aufweisen. Die Regelcharakteristik der Gleichprozentigkeit kann insbesondere Werte von GP=1:25, 1:33, 1:50, 25:1, 33:1 und/oder 50:1 aufweisen. Vorteilhaft umfasst die Mehrzahl von Korrekturkennlinien alle der genannten Korrekturkennlinien. Die Regelcharakteristik der Gleichprozentigkeit ist beispielsweise in der DIN EN 60534 für Stellventile definiert. Vorteilhaft kann auf diese Weise das Membranventil als Membranregelventil genutzt werden. Bauliche Änderungen am Membranventil sind dabei nicht notwendig.According to a further advantageous aspect, the plurality of correction characteristics can have a correction characteristic for a linear control characteristic of the diaphragm control valve and / or at least one further correction characteristic for an equal-percentage control characteristic of the diaphragm control valve. The control characteristic of the equal percentage can in particular have values of GP = 1: 25, 1:33, 1:50, 25: 1, 33: 1 and / or 50: 1. The plurality of correction characteristics advantageously includes all of the stated correction characteristics. The control characteristic of equal percentage is defined, for example, in DIN EN 60534 for control valves. In this way, the diaphragm valve can advantageously be used as a diaphragm control valve. Structural changes to the diaphragm valve are not necessary.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Mehrzahl von Korrekturkennlinien jeweils Sets von Korrekturkennlinien für verschiedene Membrantypen umfassen. Insbesondere können die Sets jeweils eine Korrekturkennlinie für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie für eine gleichprozentige Regelcharakteristik aufweisen. Dieser Aspekt ermöglicht den schnellen und unkomplizierten Austausch der Membran. Durch einen Wechsel der ausgewählten Korrekturkennlinie kann dem Membranregelventil auf einfache Weise eine (andere) lineare oder gleichprozentige Membranregelventilkennlinie aufgeprägt werden. Ebenso kann ggf. trotz eines Wechsels des Membrantyps die gleiche Membranregelventilkennlinie erhalten werden.According to a further advantageous aspect, the plurality of correction characteristics can each include sets of correction characteristics for different membrane types. In particular, the sets can each have a correction characteristic for a linear control characteristic and / or at least one correction characteristic for an equal-percentage control characteristic. This aspect enables the membrane to be replaced quickly and easily. By changing the selected correction characteristic, a (different) linear or equal percentage diaphragm control valve characteristic can be impressed on the diaphragm control valve in a simple manner. Likewise, the same diaphragm control valve characteristic can be obtained despite a change of the diaphragm type.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt können die Sets jeweils Korrekturkennlinien für Membranen umfassen, die insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk (FKM) enthalten. Diese Materialwahl hat sich als besonders geeignet herausgestellt, z.B. um einen hygienischen Durchflusskanal zu erhalten.According to a further advantageous aspect, the sets can each include correction characteristic curves for membranes that contain in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or fluororubber (FKM). This choice of material has been found to be particularly suitable, e.g. to get a hygienic flow channel.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Membran einen ersten Teilbereich einer Kanalwand des Durchflusskanals ausbilden. Ein zweiter Teilbereich der Kanalwand kann einen Ventilsitz ausbilden. Die Membran kann in Zusammenwirkung mit dem Ventilsitz einen (freien) Strömungsquerschnitt des Durchflusskanals definieren. Der Aktor kann ausgebildet sein, um die Membran auszulenken und so den Strömungsquerschnitt zwischen einem minimalen Strömungsquerschnitt und einem maximalen Strömungsquerschnitt zu variieren. Diese Ventile sind auch als Tiefsitzmembranventile und Stegsitzmembranventile bekannt. Vorteilhaft kann der minimale Strömungsquerschnitt null sein. Das Ventil ist in diesem Fall geschlossen. Gemäß diesem Aspekt dichtet die Membran den Durchflusskanal gegenüber der Umwelt, insbesondere gegenüber dem Aktor, ab.According to a further advantageous aspect, the membrane can have a first partial area Form the channel wall of the flow channel. A second partial area of the channel wall can form a valve seat. In cooperation with the valve seat, the membrane can define a (free) flow cross section of the flow channel. The actuator can be designed to deflect the membrane and thus to vary the flow cross section between a minimum flow cross section and a maximum flow cross section. These valves are also known as deep seat diaphragm valves and web seat diaphragm valves. The minimum flow cross section can advantageously be zero. In this case the valve is closed. According to this aspect, the membrane seals the flow channel from the environment, in particular from the actuator.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der zweite Teilbereich der Kanalwand einen Steg ausbilden. In anderen Worten kann es sich bei dem Membranventil um ein Stegsitzmembranventil handeln.According to a further advantageous aspect, the second partial area of the duct wall can form a web. In other words, the diaphragm valve can be a web seat diaphragm valve.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Stellungsregler Bestandteil eines optional vorhandenen Stellungsregelkreises sein. Dieser umfasst den Stellungsregler, das Stellglied, das Membranventil und einen Positionssensor, die als Stellungsregelkreis in einer geschlossenen Schleife aufgebaut sind. Dabei kann über den Positionssensor beispielsweise die aktuelle Stellung (also der Stellungsistwert bzw. Hub) des (pneumatischen) Antriebs des Membranventils erfasst werden (z.B. des Aktors). Der Stellungsistwert wird vom Stellungsregler mit dem als Normsignal vorgegebenen korrigierten Stellungssollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird diese über das Stellglied ausgeglichen, beispielsweise indem ein pneumatisch betriebener Antrieb be- und entlüftet wird. Auf diese Weise wird die Stellung des Antriebs bis zur Regeldifferenz null verändert. Der Stellungsregelkreis kann ferner in einen Prozessregelkreis integriert sein und so einen untergeordneten Hilfsregelkreis darstellen. Es ergibt sich dadurch eine sogenannte Kaskadenregelung. Der Prozessregelkreis umfasst dann beispielsweise den Prozessregler (optional), den Stellungsregelkreis, und den Prozess, von welchem eine Prozessgröße bzw. ein Prozessparameter beispielsweise mittels des Prozesssensors an den Prozessregler zurückgeführt wird. Liegt eine Regeldifferenz zwischen dem Prozessistwert und dem Prozesssollwert vor, so kann diese im Prozessregelkreis ausgeglichen werden. Der Prozessregelkreis kann in dieser Situation als Hauptregelkreis angesehen werden. Der Prozessregler im Prozessregelkreis kann beispielsweise eine PID-Funktion (Proportional Integral Derivative Controller; Regler mit Proportionalglied, Integrierglied und Differenzierglied) haben. Als Sollwert wird der Prozesssollwert vorgegeben. Über Sensoren und ggf. Transmitter wird der Prozessistwert erfasst. Dieser Prozessistwert wird vom Prozessregler mit dem von ihm vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird der Stellungssollwert für das Korrekturglied verändert. Mithilfe des Korrekturglieds wird der vorgegebene Stellungssollwert anhand einer Korrekturkennlinie in einen korrigierten Stellungssollwert korrigiert, so dass über das Stellsystem der Antrieb des Membranventils eingestellt wird bis sich im Idealfall im Prozessregelkreis die Regeldifferenz null ergibt.In the context of the present invention, the position controller can be part of an optionally available position control loop. This includes the positioner, the actuator, the diaphragm valve and a position sensor, which are constructed as a position control circuit in a closed loop. For example, the current position (i.e. the actual position value or stroke) of the (pneumatic) drive of the diaphragm valve (e.g. the actuator) can be recorded via the position sensor. The positioner compares the actual position value with the corrected position setpoint specified as a standard signal. If there is a control difference, this is compensated for by the actuator, for example by venting a pneumatically operated drive. In this way, the position of the drive is changed until the system deviation is zero. The position control loop can also be integrated into a process control loop and thus represent a subordinate auxiliary control loop. This results in a so-called cascade control. The process control loop then includes, for example, the process controller (optional), the position control loop, and the process from which a process variable or a process parameter is fed back to the process controller, for example by means of the process sensor. If there is a control difference between the process actual value and the process setpoint, this can be compensated in the process control loop. The process control loop can be seen as the main control loop in this situation. The process controller in the process control loop can, for example, have a PID function (Proportional Integral Derivative Controller; controller with proportional element, integrating element and differentiating element). The process setpoint is specified as the setpoint. The actual process value is recorded via sensors and, if necessary, transmitters. This process actual value is compared by the process controller with the setpoint it has specified. If there is a control difference, the position setpoint for the correction element is changed. With the help of the correction element, the specified nominal position value is corrected into a corrected nominal position value using a correction characteristic curve, so that the actuator of the diaphragm valve is set via the actuating system until, in the ideal case, the control difference in the process control loop is zero.

Vorteilhafterweise wird gemäß einem Aspekt der Erfindung beim Bestimmen von korrigierten Stellungssollwerten basierend auf den ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten eine vollständige Korrekturkennlinie ermittelt. Die Ermittlung kann unabhängig vom einzelnen Membranventil im Rahmen entsprechender Versuchsreihen geschehen. Mehrere resultierende Korrekturkennlinien für Membranen der gleichen Art können dabei gemittelt werden. Dies verbessert die Datenbasis. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung erfolgt also eine Transformation der ermittelten Wertepaare von Stellungsistwerten und Prozessistwerten (in einer Testumgebung) in eine entsprechende Korrekturkennlinie in der Weise, dass die Hintereinanderschaltung von Membranventilkennlinie und Korrekturkennlinie zu einem weitestgehend linearen oder gleichprozentigen Gesamtverhalten führt.Advantageously, according to one aspect of the invention, when determining corrected desired position values based on the determined value pairs of actual position values and actual process values, a complete correction characteristic is determined. The determination can take place independently of the individual diaphragm valve in the context of a corresponding series of tests. Several resulting correction characteristics for membranes of the same type can be averaged. This improves the database. According to this aspect of the invention, the determined value pairs of actual position values and actual process values (in a test environment) are transformed into a corresponding correction characteristic in such a way that the series connection of the diaphragm valve characteristic and the correction characteristic leads to a largely linear or equal percentage overall behavior.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich, wobei

  • - 1 eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
  • - 2 eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke mit Prozessregler gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
  • - 3a eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils mit Stellungsregelkreis gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
  • - 3b eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils ohne Stellungsregelkreis gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
  • - 4 eine vereinfachte Darstellung einer Linearisierung eines Anlagenprozesses gemäß Aspekten der Erfindung zeigt,
  • - 5 eine vereinfachte beispielhafte Berechnung einer Korrekturkennlinie gemäß Aspekten der Erfindung zeigt.
Further features and advantages of the invention will become clear on the basis of the following description of the preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the accompanying figures, wherein
  • - 1 shows a simplified representation of a controlled system according to aspects of the invention,
  • - 2 shows a simplified representation of a controlled system with process controller according to aspects of the invention,
  • - 3a shows a simplified representation of a diaphragm valve with position control circuit according to aspects of the invention,
  • - 3b shows a simplified representation of a diaphragm valve without a position control loop according to aspects of the invention,
  • - 4th shows a simplified representation of a linearization of a plant process according to aspects of the invention,
  • - 5 shows a simplified exemplary calculation of a correction characteristic in accordance with aspects of the invention.

In 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung dargestellt. Die Regelstrecke umfasst die Korrekturkennlinie 120. Die Korrekturkennlinie 120 wird innerhalb des Korrekturglieds 12 dazu genutzt, aus einem vorgegebenen Stellungssollwert CMD einen korrigierten Stellungssollwert CMD* zu ermitteln. Die Regelstrecke umfasst ferner die Membranventilkennlinie 130 und die Anlagenkennlinie 140. Die Membranventilkennlinie 130 und die Korrekturkennlinie 120 bilden zusammen die Membranregelventilkennlinie 150. Ein Membranventil 8 (nicht gezeigt) besitzt eine von seiner Konstruktion abhängige Membranventilkennlinie 130.In 1 a simplified representation of a controlled system according to aspects of the invention is shown. The controlled system includes the correction characteristic curve 120. The correction characteristic curve 120 is used within the correction element 12 to produce a specified position setpoint CMD to determine a corrected position setpoint CMD *. The controlled system also includes the diaphragm valve characteristic curve 130 and the system characteristic curve 140. The diaphragm valve characteristic curve 130 and the correction characteristic curve 120 together form the diaphragm control valve characteristic curve 150 . A diaphragm valve 8th (not shown) has a diaphragm valve characteristic curve 130 which is dependent on its construction.

Die Membranventilkennlinie 130 ist von verschiedenen Faktoren abhängig, beispielsweise vom Material und der Form der Membran 40 und von der Form und Oberfläche des Durchflusskanals 41 des Ventilgehäuses 42. Als Membranmaterialien werden z.B. PTFE, EPDM oder FKM verwendet. Bei der Konstruktion des Gehäuses ist insbesondere die Gehäuseart (z.B. Saunderskontur) und die Art der Herstellung des Gehäuses (z.B. Rohrumformgehäuse, Gussgehäuse, etc.) von Belang. Im Gehäuse gibt es herstellungs- und konstruktionsbedingt verschiedene Übergange, Kanten und Vorsprünge, die den Durchfluss Q je nach Stellungsistwert POS beeinflussen. Auch ist die Form der Membranventilkennlinie 130 abhängig von der Nennweite des Ventilgehäuses 42. Daraus resultierend sind die Membranventilkennlinien 130 stark nichtlinear. Die Membranventilkennlinie 130 beeinflusst deshalb in Abhängigkeit des Durchflusses Q die Anlagenkennlinie 140. Aus der Anlagenkennlinie 140 ergibt sich der Prozessistwert PV.The membrane valve characteristic curve 130 is dependent on various factors, for example on the material and the shape of the membrane 40 and on the shape and surface of the flow channel 41 of the valve housing 42. The membrane materials used are, for example, PTFE, EPDM or FKM. When designing the housing, the type of housing (e.g. Saunders contour) and the type of manufacture of the housing (e.g. tubular housing, cast housing, etc.) are particularly important. There are various transitions, edges and projections in the housing, depending on the manufacturing and design, which influence the flow rate Q depending on the actual position value POS. The shape of the diaphragm valve characteristic curve 130 is also dependent on the nominal width of the valve housing 42. As a result, the diaphragm valve characteristic curves 130 are highly non-linear. The diaphragm valve characteristic curve 130 therefore influences the system characteristic curve 140 as a function of the flow rate Q. The process actual value PV results from the system characteristic curve 140.

Während die Membranventilkennlinie 130 durch die Konstruktion bestimmt und daher fest ist, kann die Korrekturkennlinie 120 und damit auch die resultierende Membranregelventilkennlinie 150 erfindungsgemäß von einem Bediener in Abhängigkeit von der der Anlagenkennlinie 140 ausgewählt werden.While the diaphragm valve characteristic curve 130 is determined by the design and is therefore fixed, the correction characteristic curve 120 and thus also the resulting diaphragm control valve characteristic curve 150 can be selected according to the invention by an operator as a function of the system characteristic curve 140.

Die Korrekturkennlinien 120, aus denen der Bediener wählen kann, können durch Versuchsreihen experimentell bestimmt, bzw. berechnet werden. Hierzu wird näher im Zuge der Beschreibung von 5 ausgeführt.The correction characteristics 120, from which the operator can choose, can be determined or calculated experimentally through test series. This is explained in more detail in the description of 5 executed.

2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Regelstrecke gemäß Aspekten der Erfindung mit einem Prozessregelkreis. Der Prozessregelkreis umfasst einen Prozessregler 20 und einen Prozesssensor 5. Der Prozessistwert PV wird vom Prozess bzw. einer Prozessgröße abgeleitet, beispielsweise ein Druck, eine Temperatur, etc. Die Abweichung zwischen dem Prozesssollwert SP und dem Prozessistwert PV ist die Regeldifferenz Xd2. Die Regeldifferenz Xd2 wird vom Prozessregler 20 ermittelt, welcher einen darauf basierenden (vorgegebenen) Stellungssollwert CMD ausgibt. 2 shows a simplified representation of a controlled system according to aspects of the invention with a process control loop. The process control loop includes a process controller 20th and a process sensor 5 . The process actual value PV is derived from the process or a process variable, for example a pressure, a temperature, etc. The deviation between the process setpoint SP and the process actual value PV is the control difference Xd2. The control difference Xd2 is determined by the process controller 20th determines which outputs a (specified) position setpoint CMD based on it.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Korrekturstufe 12 vorgesehen, die dem herkömmlichen Prozessregler nachgeschaltet ist. Der Output des Prozessreglers 20 steht mit Korrekturglied 12 in Verbindung, an das der vorgegebene Stellungssollwert CMD übermittelt wird. Die Korrekturwerte (bspw. CMD*/CMD) bzw. die vollständige Korrekturkennlinie 120 und/oder deren Parameter werden in dem Korrekturglied 12 abgelegt (gespeichert). Die unkorrigierten (vorgegebenen) Stellungssollwerte CMD werden in dem Korrekturglied 12 in korrigierte Stellungssollwerte CMD* umgewandelt. Aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* und der Membranventilkennlinie 130 ergibt sich dann der resultierende Durchfluss Q des Membranventils 8 entsprechend der Membranregelventilkennlinie 150. Dabei wird basierend auf dem korrigierten Stellungssollwert CMD* von einem Stellglied 16 eine Stellgröße CTRL bereitgestellt (in 2 nicht gezeigt), so dass der korrigierte Stellungssollwert CMD* mittels der Ventilöffnung auf den Prozess einwirkt und damit Einfluss auf den Prozessistwert PV nimmt. Der aktuelle Prozessistwert PV wird vom Prozess abgeleitet, vom Prozesssensor 5 erfasst und auf einen Eingang des Prozessreglers 20 zurückgeführt. Der Prozesssensor kann direkt Signale an den Prozessregler 20 übermitteln oder über einen Transmitter. Der Prozessregler 20 im Prozessregelkreis (Hauptregelkreis) kann in diesem Ausführungsbeispiel eine PID-Funktion haben. Insgesamt wird die Regeldifferenz Xd2 durch den Regelkreis minimiert.According to this exemplary embodiment, a correction stage 12 is provided, which is connected downstream of the conventional process controller. The output of the process controller 20th is in connection with correction element 12, to which the predetermined position setpoint value CMD is transmitted. The correction values (for example CMD * / CMD) or the complete correction characteristic 120 and / or their parameters are stored (stored) in the correction element 12. The uncorrected (predetermined) nominal position values CMD are converted in the correction element 12 into corrected nominal position values CMD *. The resulting flow rate Q of the diaphragm valve is then obtained from the corrected setpoint position value CMD * and the diaphragm valve characteristic curve 130 8th according to the diaphragm control valve characteristic 150 . A control element 16 provides a manipulated variable CTRL based on the corrected setpoint position value CMD * (in 2 not shown), so that the corrected position setpoint CMD * acts on the process via the valve opening and thus influences the actual process value PV. The current process actual value PV is derived from the process, from the process sensor 5 and to an input of the process controller 20th returned. The process sensor can send signals directly to the process controller 20th transmit or via a transmitter. The process controller 20th In this exemplary embodiment, the process control loop (main control loop) can have a PID function. Overall, the control difference Xd2 is minimized by the control loop.

3a zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils 8 gemäß Aspekten der Erfindung mit einem elektromotorischen oder pneumatischen Antrieb. Gezeigt ist ein Membranventil 8 mit einer zugehörigen Ventilsteuerung, die den Stellungsregler 7 umfasst. Das Membranventil 8 regelt einen Fluidstrom innerhalb eines Durchflusskanals 41. Zumindest ein Parameter des Fluidstroms (beispielsweise Durchflussmenge) wird mittels eines Prozesssensors 5 erfasst. Hierbei handelt es sich dann um den Prozessistwert PV. Zusätzlich umfasst das Membranregelventil auch noch den Positionssensor 9. 3a shows a simplified representation of a diaphragm valve 8th according to aspects of the invention with an electromotive or pneumatic drive. A diaphragm valve is shown 8th with an associated valve control which includes the positioner 7. The diaphragm valve 8th regulates a fluid flow within a flow channel 41 . At least one parameter of the fluid flow (for example flow rate) is measured by means of a process sensor 5 detected. This is then the process actual value PV. In addition, the diaphragm control valve also includes the position sensor 9.

Das Membranventil 8 umfasst einen Stellungsregelkreis 3, der zumindest den Stellungsregler 7, das Stellglied 16, den Positionssensor 9 und den Aktor 43 umfasst. Beim Stellungsregelkreis 3 handelt es sich um einen Hilfsregelkreis, welcher optional vorhanden sein kann. Das Stellglied 16 für den Aktor 43 kann auch Teil des Stellungsreglers 7 sein. Durch den Stellungsregelkreis bzw. durch den Stellungsregler 7 und/oder das Stellglied 16 kann ein Stellsystem gebildet sein, welches auch Ventile zum Be- und Entlüften des Antriebs des Membranventils 8 umfassen kann. Es wandelt die Ausgangsgröße des Stellungsreglers 7 in die entsprechenden Steuergrößen für den Aktor 43 des Membranventils 8 um. Der Positionssensor 9 kann sich auch außerhalb der Vorrichtung befinden. Wie bereits zuvor ausgeführt, erhält der Stellungsregelkreis 3 bzw. der Stellungsregler 7 einen korrigierten Stellungssollwert CMD* vom Korrekturglied 12.The diaphragm valve 8th includes a position control loop 3 , which comprises at least the position controller 7, the actuator 16, the position sensor 9 and the actuator 43. With the position control loop 3 it is an auxiliary control loop, which can be optionally present. The actuator 16 for the actuator 43 can also be part of the position controller 7. A control system can be formed by the position control loop or by the position controller 7 and / or the actuator 16, which also has valves for pressurizing and venting the drive of the diaphragm valve 8th may include. It converts the output variable of the positioner 7 into the corresponding control variables for the actuator 43 of the diaphragm valve 8th around. The position sensor 9 can also be located outside the device. As stated previously, the position control loop receives 3 or the positioner 7 a corrected position setpoint value CMD * from correction element 12.

Der Stellungsregler 7 gibt ein Steuersignal CTRL an den Antrieb des Membranventils 8 aus bzw. an den Aktor 43 des Membranventils 8. Basierend auf dem Steuersignal CTRL wird der Aktor 43 eine bestimmte Funktionsstellung einnehmen, wodurch sich eine bestimmte Ventilöffnung des Membranventils 8 ergibt. Über die Membran 40 und das Gehäuse 42 wirkt das Membranventil 8 mit dem Durchflusskanal 41 zusammen, so dass sich ein resultierender Durchfluss Q ergibt. Mittels eines Positionssensors 9 kann der Stellungsistwert POS des Antriebs des Membranventils 8 ermittelt werden. Der Stellungsistwert POS kann auch durch die Stellung des Aktors 43 definiert sein. Dieser Stellungsistwert POS wird mit dem von außen vom Korrekturglied 12 korrigierten Stellungssollwert CMD* verglichen. So wird vom Stellungsregler 7 eine Regeldifferenz - ermittelt, welche wiederum in ein entsprechendes Steuersignal CTRL für das Prozessventil 8 umgewandelt wird, um vom Stellglied ausgegeben wird.The position controller 7 sends a control signal CTRL to the drive of the diaphragm valve 8th from or to the actuator 43 of the diaphragm valve 8th . Based on the control signal CTRL, the actuator 43 will assume a specific functional position, as a result of which a specific valve opening of the diaphragm valve will open 8th results. The diaphragm valve acts via the diaphragm 40 and the housing 42 8th with the flow channel 41 together so that a resulting flow rate Q results. The actual position value POS of the drive of the diaphragm valve can be measured by means of a position sensor 9 8th be determined. The actual position value POS can also be defined by the position of the actuator 43. This actual position value POS is compared with the desired position value CMD * corrected externally by the correction element 12. A control difference is thus determined by the position controller 7, which in turn is converted into a corresponding control signal CTRL for the process valve 8th is converted to output from the actuator.

In anderen Worten umfasst das Membranregelventil ein Membranventil 8 und eine Ventilsteuerung. Das Membranventil 8 weist ein Ventilgehäuse 42 mit einem Durchflusskanal 41, eine Membran 40 und einen Aktor 43 auf. Die Ventilsteuerung umfasst ein Korrekturglied 12 und den Stellungsregler 7. Optional kann die Ventilsteuerung auch einen Prozessregler 20 aufweisen. Das Korrekturglied 12 hält eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien 120 vor. Die Ventilsteuerung ist derart eingerichtet, dass ein Benutzer mittels der Mensch-Maschine-Schnittstelle 45 und eines Menüs 46 eine der Korrekturkennlinien 120 auswählen kann. Das Korrekturglied 12 ermittelt mit der ausgewählten Korrekturkennlinie 120 korrigierte Stellungssollwerte CMD*. Der Stellungsregler 7 ist ausgebildet, aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* eine Stellgröße CTRL zu ermitteln, wobei die Stellgröße CTRL vom Stellglied 16 genutzt wird, um den Aktor 43 anzusteuern. Dies führt dazu, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie 150 aufweist.In other words, the diaphragm control valve comprises a diaphragm valve 8th and a valve control. The diaphragm valve 8th has a valve housing 42 with a flow channel 41 , a membrane 40 and an actuator 43. The valve control comprises a correction element 12 and the position controller 7. The valve control can optionally also be a process controller 20th exhibit. The correction element 12 holds a plurality of predefined correction characteristic curves 120. The valve control is set up in such a way that a user can use the man-machine interface 45 and a menu 46 can select one of the correction characteristic curves 120. The correction element 12 determines corrected position setpoint values CMD * with the selected correction characteristic curve 120. The position controller 7 is designed to determine a manipulated variable CTRL from the corrected setpoint position value CMD *, the manipulated variable CTRL being used by the actuator 16 to control the actuator 43. This means that the diaphragm control valve has a predetermined characteristic diaphragm control valve curve 150 having.

Insgesamt ergibt sich so eine kaskadenförmige Konfiguration eines Prozessregelkreises mit einem Stellungsregler 7, wie sie auch gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.Overall, this results in a cascade configuration of a process control loop with a position controller 7, as is also used in accordance with the aspects of the present invention.

Die Mehrzahl von Korrekturkennlinien 120 weisen zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine gleichprozentige Regelcharakteristik, insbesondere mit Werten von GP=1:25, 1:33, 1:50, 25:1, 33:1 und/oder 50:1, auf.The plurality of correction characteristics 120 have at least one correction characteristic 120 for a linear control characteristic and / or at least one correction characteristic 120 for an equal-percentage control characteristic, in particular with values of GP = 1: 25, 1:33, 1:50, 25: 1, 33: 1 and / or 50: 1.

Die Mehrzahl von Korrekturkennlinien 120 umfassen jeweils Sets von Korrekturkennlinien 120 für verschiedene Membrantypen. Die Sets weisen jeweils zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie 120 für eine gleichprozentige Regelcharakteristik auf.The plurality of correction characteristics 120 each include sets of correction characteristics 120 for different membrane types. The sets each have at least one correction characteristic 120 for a linear control characteristic and / or at least one correction characteristic 120 for an equal-percentage control characteristic.

Die Sets enthalten jeweils Korrekturkennlinien 120 für Membranen 40, die insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylendien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk (FKM) enthalten.The sets each contain correction characteristics 120 for diaphragms 40, which in particular contain polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or fluororubber (FKM).

Die Membran 40 bildet einen ersten Teilbereich einer Kanalwand des Durchflusskanals aus. Ein zweiter Teilbereich der Kanalwand bildet einen Ventilsitz aus. Die Membran 40 definiert zusammenwirkend mit dem Ventilsitz einen Strömungsquerschnitt A des Durchflusskanals 41. Der Aktor 43 ist ausgebildet, um die Membran 40 auszulenken (zu deformieren) und so den Strömungsquerschnitt A zwischen einem minimalen Strömungsquerschnitt und einem maximalen Strömungsquerschnitt zu variieren. Der minimale Strömungsquerschnitt ist null. Das Ventil sperrt dann.The membrane 40 forms a first partial area of a channel wall of the flow channel. A second sub-area of the duct wall forms a valve seat. The membrane 40, interacting with the valve seat, defines a flow cross section A. of the flow channel 41 . The actuator 43 is designed to deflect (deform) the membrane 40 and thus the flow cross section A. to vary between a minimum flow area and a maximum flow area. The minimum flow cross-section is zero. The valve then blocks.

Der zweite Teilbereich der Kanalwand kann einen Steg ausbilden, so dass es sich demnach um ein Stegsitzmembranventil handeln kann.The second partial area of the channel wall can form a web so that it can accordingly be a web seat diaphragm valve.

Die durch die Membranventilkennlinie 130 und die Korrekturkennlinie 120 vorbestimmte Membranregelventilkennlinie 150 des Membranregelventils ist linear oder gleichprozentig.The diaphragm control valve characteristic curve predetermined by the diaphragm valve characteristic curve 130 and the correction characteristic curve 120 150 of the diaphragm control valve is linear or equal percentage.

3b zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Membranventils 8 gemäß Aspekten der Erfindung mit einem elektromagnetischen Antrieb. Das Membranventil 8 weist in dieser Ausführungsform keinen Positionssensor 9 auf. Das Membranventil 8 umfasst deshalb vorteilhaft keinen Stellungsregelkreis 3, so dass auf die entsprechenden Komponenten verzichtet wird. Das Stellglied 16 ermittelt aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* das Steuersignal CTRL, das an den Antrieb des Magnetventils ausgegeben wird. 3b shows a simplified representation of a diaphragm valve 8th according to aspects of the invention with an electromagnetic drive. The diaphragm valve 8th does not have a position sensor 9 in this embodiment. The diaphragm valve 8th therefore advantageously does not include a position control loop 3 so that the corresponding components are dispensed with. The actuator 16 determines the control signal CTRL from the corrected setpoint position value CMD *, which is output to the drive of the solenoid valve.

In 4 ist eine vereinfachte Darstellung einer Linearisierung eines Anlagenprozesses gemäß Aspekten der Erfindung dargestellt. Die Zusammenhänge werden anhand eines Membranventils mit PTFE-Membran erläutert. Zu erkennen ist, dass durch eine geeignete Wahl der Korrekturkennlinie 120a eine Linearisierung des Anlagenprozesses erreicht wird. Eine lineare Prozesskennlinie 160 der Anlage ergibt sich aus der Kombination der Anlagenkennlinie 140a mit der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a. Die PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a, bzw. die entsprechende PTFE-Korrekturkennlinie 120a wird durch den Benutzer aus den vordefinierten PTFE-Korrekturkennlinien 120a ausgewählt. Zur Ermittlung der PTFE-Korrekturkennlinien 120a kann die PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a zur Kompensation der PTFE-Membranventilkennlinie 130a des Membranventils 8 rechnerisch ermittelt werden.In 4th a simplified representation of a linearization of a plant process according to aspects of the invention is shown. The relationships are explained using a membrane valve with a PTFE membrane. It can be seen that through a suitable choice of the correction characteristic 120a a linearization of the plant process is achieved. A linear process curve 160 of the system results from the combination of the system characteristic 140a with the PTFE diaphragm control valve characteristic 150a . The PTFE diaphragm control valve characteristic 150a , or the corresponding PTFE correction characteristic 120a is made by the user from the predefined PTFE correction characteristics 120a selected. To determine the PTFE correction characteristics 120a can the PTFE diaphragm control valve characteristic 150a to compensate for the characteristic curve of the PTFE diaphragm valve 130a of the diaphragm valve 8th can be calculated.

Im Beispiel werden auf diese Weise PTFE-Korrekturkennlinien für lineares Verhalten und gleichprozentiges Verhalten mit 1:25, 1:33, 1:50, etc. ermittelt. Diese PTFE-Korrekturkennlinien werden zusammen mit den auswählbaren Membranregelventilkennlinien beispielsweise als M-PTFE-LIN, M-PTFE-GP1:25, M-PTFE-GP1:33 etc. (im Korrekturglied 12) hinterlegt.In the example, PTFE correction characteristics for linear behavior and equal-percentage behavior with 1:25, 1:33, 1:50, etc. are determined in this way. These PTFE correction characteristics are stored together with the selectable diaphragm control valve characteristics, for example as M-PTFE-LIN, M-PTFE-GP1: 25, M-PTFE-GP1: 33 etc. (in correction element 12).

Wird von dem Benutzer ein erfindungsgemäßes Membranregelventil mit einer PTFE-Membran ausgerüstet und in einer Anlage mit GP25:1-Verhalten verwendet, so muss lediglich die entsprechende M-PTFE-GP1:25 Membranregelventilkennlinie, bzw. die entsprechende Korrekturkennlinie ausgewählt werden. Aus der Kombination der ausgewählten PTFE-Korrekturkennlinie 120a und der festen PTFE-Membranventilkennlinie 130a ergibt sich eine entsprechende PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a mit gleichprozentualem GP1:25-Verhalten. In Kombination mit dem GP25:1-Verhalten der Anlage entsprechend der Anlagenkennlinie 140a ergibt sich insgesamt ein lineares Verhalten entsprechend der Prozesskennlinie 160 der Anlage.If the user equips a diaphragm control valve according to the invention with a PTFE diaphragm and uses it in a system with GP25: 1 behavior, only the corresponding M-PTFE-GP1: 25 diaphragm control valve characteristic or the corresponding correction characteristic must be selected. From the combination of the selected PTFE correction characteristic 120a and the fixed PTFE diaphragm valve characteristic 130a the result is a corresponding characteristic curve of the PTFE diaphragm control valve 150a with equal percentage GP1: 25 behavior. In combination with the GP25: 1 behavior of the system according to the system characteristic curve 140a, the overall result is a linear behavior corresponding to the process characteristic curve 160 the plant.

In 5 ist eine beispielhafte Berechnung einer Korrekturkennlinie 120 gemäß Aspekten der Erfindung gezeigt. Die Berechnung der Membranregelventilkennlinien wird hier am Beispiel eines Membranventils mit PTFE-Membran erläutert. Messtechnisch werden mehrere PTFE-Membranventilkennlinien 130a mehrerer Membranventile mit PTFE-Membran aufgenommen. Die PTFE-Membranventilkennlinien 130a werden gemittelt, sodass eine nichtlineare gemittelte PTFE-Membranventilkennlinie 130a erzeugt wird. Aus der gemittelten PTFE-Membranventilkennlinie 130a wird eine PTFE-Korrekturkennlinie 120a für lineares Verhalten der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a erzeugt. Nicht dargestellt, aber auf gleichem Wege, können mehrere PTFE-Korrekturkennlinien 120a für gleichprozentiges Verhalten der Membranregelventilkennlinie ermittelt werden. Es werden entsprechend lineare Membranregelventilkennlinien, bzw. Korrekturkennlinien und gleichprozentige Membranregelventilkennlinien, bzw. Korrekturkennlinien, für verschiedene Membranmaterialien vorab erzeugt (berechnet).In 5 An exemplary calculation of a correction characteristic 120 in accordance with aspects of the invention is shown. The calculation of the diaphragm control valve characteristics is explained here using the example of a diaphragm valve with a PTFE diaphragm. Several PTFE diaphragm valve characteristics are measured 130a several diaphragm valves with PTFE diaphragm added. The PTFE diaphragm valve characteristics 130a are averaged so that a non-linear averaged PTFE diaphragm valve characteristic curve 130a is produced. From the averaged PTFE diaphragm valve characteristic 130a becomes a PTFE correction characteristic 120a for linear behavior of the PTFE diaphragm control valve characteristic 150a generated. Not shown, but in the same way, several PTFE correction characteristics can be used 120a can be determined for equal-percentage behavior of the diaphragm control valve characteristic. Correspondingly, linear diaphragm control valve characteristics or correction characteristics and equal percentage diaphragm control valve characteristics or correction characteristics are generated (calculated) in advance for various diaphragm materials.

Im Diagramm ist der Durchfluss Q über den Stellungsistwert POS aufgetragen. POS bezeichnet hier die Position des Aktors in Prozent vom Hub und damit ein Maß für die Ventilöffnung. POS = 0% bedeutet, dass der Ventilsitz (vollständig) geschlossen ist. POS = 100% bedeutet, dass das Ventil vollständig geöffnet ist. POS-Werte zwischen 0% und 100% bezeichnen die prozentuale (anteilsmäßige) Position des Aktors, bzw. die prozentuale (anteilsmäßige) Öffnung des Ventilsitzes, jeweils bezogen auf die das maximal geöffnete Ventil. Der Durchfluss Q wird ebenfalls in Prozent aufgetragen. Q = 0% bedeutet, dass der Ventilsitz vollständig geschlossen ist und kein Durchfluss stattfindet. Q = 100% bedeutet, dass maximaler Durchfluss stattfindet. Der Ventilsitz ist bei Q = 100% maximal geöffnet. Werte von Q zwischen 0% und 100% bezeichnen den prozentualen (anteilsmäßigen) Durchfluss bezogen auf den maximalen Durchfluss. Die PTFE-Korrekturkennlinien 120a berechnen sich jeweils über die Inverse (die Umkehrfunktion). Durch die in Bezug auf 4 erläuterte Vorgehensweise ergibt sich ein lineares Verhalten der PTFE-Membranregelventilkennlinie 150a.In the diagram, the flow rate Q is plotted against the actual position value POS. Here, POS denotes the position of the actuator as a percentage of the stroke and thus a measure of the valve opening. POS = 0% means that the valve seat is (completely) closed. POS = 100% means that the valve is fully open. POS values between 0% and 100% denote the percentage (proportional) position of the actuator or the percentage (proportional) opening of the valve seat, in each case based on the maximum open valve. The flow rate Q is also plotted in percent. Q = 0% means that the valve seat is completely closed and there is no flow. Q = 100% means that maximum flow occurs. The valve seat is fully open at Q = 100%. Values of Q between 0% and 100% denote the percentage (proportional) flow related to the maximum flow. The PTFE correction characteristics 120a are calculated using the inverse (the inverse function). By referring to 4th The explained procedure results in a linear behavior of the PTFE diaphragm control valve characteristic 150a .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

55
ProzesssensorProcess sensor
77th
StellungsreglerPositioner
88th
MembranventilDiaphragm valve
99
PositionssensorPosition sensor
1212
KorrekturgliedCorrection link
1616
StellgliedActuator
2020th
ProzessreglerProcess controller
4040
Membranmembrane
4141
DurchflusskanalFlow channel
4242
VentilgehäuseValve body
4343
AktorActuator
4545
Mensch-Maschine-SchnittstelleMan-machine interface
4646
Menümenu
120120
KorrekturkennlinieCorrection curve
120a120a
PTFE-KorrekturkennliniePTFE correction characteristic
130130
MembranventilkennlinieDiaphragm valve characteristic
130a130a
PTFE-MembranventilkennliniePTFE diaphragm valve characteristic
140140
AnlagenkennlinieSystem characteristic
140a140a
PTFE-AnlagenkennliniePTFE system characteristic
150150
MembranregelventilkennlinieDiaphragm control valve characteristic
150a150a
PTFE-MembranregelventilkennlinieCharacteristic curve of PTFE diaphragm control valve
160160
ProzesskennlinieProcess curve
AA.
StrömungsquerschnittFlow cross-section
CMDCMD
Vorgegebener StellungssollwertPreset position setpoint
CMD*CMD *
Korrigierter StellungssollwertCorrected position setpoint
CTRLCTRL
StellgrößeManipulated variable
POSPOS
StellungsistwertActual position value
PV PV
ProzessistwertProcess actual value
QQ
DurchflussFlow
SPSP
ProzesssollwertProcess setpoint
Xd2Xd2
RegeldifferenzControl difference

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 102015205127 A1 [0003]DE 102015205127 A1 [0003]
  • DE 102013215294 A1 [0003]DE 102013215294 A1 [0003]

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Membranregelventil, umfassend ein Membranventil (8) und eine Ventilsteuerung; wobei das Membranventil (8) ein Ventilgehäuse (42) mit einem Durchflusskanal (41), eine Membran (40) und einen Aktor (43) aufweist, wobei die Ventilsteuerung ein Stellglied (16) und ein Korrekturglied (12) umfasst und eine Mehrzahl von vordefinierten Korrekturkennlinien (120) vorhält, und wobei die Ventilsteuerung derart eingerichtet ist, dass ein Benutzer eine der Korrekturkennlinien (120) auswählen kann und das Korrekturglied (12) mit der ausgewählten Korrekturkennlinie (120) aus einem vorgegebenen Stellungssollwert (CMD) einen korrigierten Stellungssollwert (CMD*) ermittelt; und wobei das Stellglied (16) ausgebildet ist, aus dem korrigierten Stellungssollwert (CMD*) eine Stellgröße (CTRL) zu ermitteln und mit der Stellgröße (CTRL) den Aktor (43) anzusteuern, derart, dass das Membranregelventil eine vorbestimmte Membranregelventilkennlinie (150) aufweist.Diaphragm control valve, comprising a diaphragm valve (8) and a valve control; wherein the diaphragm valve (8) has a valve housing (42) with a flow channel (41), a diaphragm (40) and an actuator (43), the valve control comprising an actuator (16) and a correction element (12) and a plurality of pre-defined correction characteristics (120), and wherein the valve control is set up in such a way that a user can select one of the correction characteristics (120) and the correction element (12) with the selected correction characteristic (120) generates a corrected position target value (CMD) from a predetermined position target value (CMD). CMD *) determined; and wherein the actuator (16) is designed to determine a manipulated variable (CTRL) from the corrected nominal position value (CMD *) and to control the actuator (43) with the manipulated variable (CTRL) in such a way that the diaphragm control valve has a predetermined diaphragm control valve characteristic (150) having. Membranregelventil nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung zusätzlich einen Prozessregler (20) umfasst, wobei der Prozessregler ausgebildet ist, aus einem Prozesssollwert (SP) und einem Prozessistwert (PV) den Stellungssollwert (CMD) zu ermitteln.Diaphragm control valve according to Claim 1 , the valve control additionally comprising a process controller (20), the process controller being designed to determine the position setpoint (CMD) from a process setpoint (SP) and an actual process value (PV). Membranregelventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Mehrzahl von Korrekturkennlinien (120) eine Korrekturkennlinie (120) für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie (120) für eine gleichprozentige Regelcharakteristik, insbesondere mit Werten von GP=1:25, 1:33, 1:50, 25:1, 33:1 und/oder 50:1, aufweist.Diaphragm control valve according to one of the Claims 1 and 2 , wherein the plurality of correction characteristics (120) have a correction characteristic (120) for a linear control characteristic and / or at least one correction characteristic (120) for an equal-percentage control characteristic, in particular with values of GP = 1: 25, 1:33, 1:50, 25: 1, 33: 1 and / or 50: 1. Membranregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mehrzahl von Korrekturkennlinien (120) jeweils Sets von Korrekturkennlinien (120) für verschiedene Membrantypen umfassen, insbesondere wobei die Sets jeweils eine Korrekturkennlinie (120) für eine lineare Regelcharakteristik und/oder zumindest eine Korrekturkennlinie (120) für eine gleichprozentige Regelcharakteristik aufweisen.Diaphragm control valve according to one of the Claims 1 to 3 , the plurality of correction characteristics (120) each comprising sets of correction characteristics (120) for different membrane types, in particular the sets each having a correction characteristic (120) for a linear control characteristic and / or at least one correction characteristic (120) for an equal percentage control characteristic. Membranregelventil nach Anspruch 4, wobei die Sets jeweils Korrekturkennlinien (120) für Membranen (40) umfassen, die insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Fluorkautschuk (FKM) enthalten.Diaphragm control valve according to Claim 4 , the sets each comprising correction characteristic curves (120) for membranes (40) which contain in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or fluororubber (FKM). Membranregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (40) einen ersten Teilbereich einer Kanalwand des Durchflusskanals ausbildet, wobei ein zweiter Teilbereich der Kanalwand einen Ventilsitz ausbildet, und wobei die Membran (40) zusammenwirkend mit dem Ventilsitz einen Strömungsquerschnitt (A) des Durchflusskanals (41) definiert, wobei der Aktor (43) ausgebildet ist, um die Membran (40) auszulenken und so den Strömungsquerschnitt (A) zwischen einem minimalen Strömungsquerschnitt und einem maximalen Strömungsquerschnitt zu variieren.Membrane control valve according to one of the preceding claims, wherein the membrane (40) forms a first sub-area of a channel wall of the flow channel, a second sub-area of the channel wall forming a valve seat, and wherein the membrane (40) cooperates with the valve seat to form a flow cross section (A) of the flow channel (41), wherein the actuator (43) is designed to deflect the membrane (40) and thus to vary the flow cross section (A) between a minimum flow cross section and a maximum flow cross section. Membranregelventil nach Anspruch 6, wobei der zweite Teilbereich der Kanalwand einen Steg ausbildet.Diaphragm control valve according to Claim 6 , wherein the second portion of the duct wall forms a web. Membranregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die durch die Membranventilkennlinie (130) und die Korrekturkennlinie (120) vorbestimmte Membranregelventilkennlinie (150) des Membranregelventils linear oder gleichprozentig ist.Diaphragm control valve according to one of the preceding claims, the diaphragm control valve characteristic (150) of the diaphragm control valve predetermined by the diaphragm valve characteristic curve (130) and the correction characteristic curve (120) being linear or equal-percentage. Membranregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Membranregelventil derart ausgebildet ist, dass der Benutzer die eine der Korrekturkennlinien (120) mittels eines Menüs (46), insbesondere über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (45) auswählen kann.Diaphragm control valve according to one of the preceding claims, wherein the diaphragm control valve is designed such that the user can select one of the correction characteristics (120) by means of a menu (46), in particular via a man-machine interface (45).
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