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DE2751743A1 - Verfahren und regeleinrichtung zum zumessen stroemender medien - Google Patents

Verfahren und regeleinrichtung zum zumessen stroemender medien

Info

Publication number
DE2751743A1
DE2751743A1 DE19772751743 DE2751743A DE2751743A1 DE 2751743 A1 DE2751743 A1 DE 2751743A1 DE 19772751743 DE19772751743 DE 19772751743 DE 2751743 A DE2751743 A DE 2751743A DE 2751743 A1 DE2751743 A1 DE 2751743A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
valves
valve
base load
setpoint
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19772751743
Other languages
English (en)
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DE2751743C2 (de
Inventor
Heinz Dipl Ing Holzem
Helmut Dipl Ing Kehrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH
Original Assignee
Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH filed Critical Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH
Priority to DE2751743A priority Critical patent/DE2751743C2/de
Priority to GB7843620A priority patent/GB2008800B/en
Priority to US05/959,196 priority patent/US4313465A/en
Priority to FR7832700A priority patent/FR2409545B1/fr
Publication of DE2751743A1 publication Critical patent/DE2751743A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2751743C2 publication Critical patent/DE2751743C2/de
Expired legal-status Critical Current

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G05D7/0641—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means using a plurality of throttling means
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B11/18—Multi-step controllers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87265—Dividing into parallel flow paths with recombining
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    • Y10T137/87314—Electromagnetic or electric control [e.g., digital control, bistable electro control, etc.]

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  • Flow Control (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

Dr.-lng. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen
Cecilienellee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 45ΞΟΟΘ Patentanwälte
18. November 1977
3'' 646 R
Pierburg Luftfahrtgeräte Union GmbH, Bataverstraße 80, 4040 Neuss
"Verfahren und Regeleinrichtung zum Zumessen strömender
Medien»
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zumessen strömender Medien mit Hilfe mehrerer, parallelgeschalteter Ein-Aus-Ventile, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Regeleinrichtung.
Aus der chemischen Verfahrenstechnik ist es bekannt, zum Steuern eines Mengenstromes mehrere Ein-Aus-Ventile parallel zu schalten, die dann entsprechend der jeweiligen Sollmenge entweder geöffnet oder geschlossen werden. Dabei können die Zumeßquerschnitte beispielsweise nach einer binären Reihe 2n abgestuft sein; mit steigender Anzahl η der Ventile verbessert sich dann das Auflösevermögen. Obwohl mit diesem binären Zumeßverfahren gewisse Vorteile verbunden sind, nämlich der relativ einfache Aufbau der Ventileund ihre nicht so häufig erforderliche Betätigung sowie die Möglichkeit, bei Versagen eines oder mehrerer Ventile die Redundanz der übrigen Ventile nutzbar zu machen, besitzt es für viele Anwendungszwecke, beispielsweise bei der Gasturbinenregelung den Nachteil, daß eine praktisch nicht realisierbare große Anzahl von Ventilen zum Erreichen einer feinstufigen Zumessung erforderlich ist.
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27517A3
In der DT-PS 1 919 489 ist eine Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff für Gasturbinen beschrieben, bei der ein Zumeßventil vorgesehen ist, das nur zwei Stellungen einnimmt, nämlich eine für die minimal und die andere für die maximal erforderliche Kraftstoffmenge; bei gleichbleibender Schaltfrequenz wird die Zeit für die der maximal erforderlichen Kraftstoffmenge zugeordnete Stellung entsprechend der gewünschten Kraftstoffmenge verändert. Darüber hinaus sind veränderbare Anschläge für den Ventilstößel vorgesehen, um neben der pulsbreiten-modulierten Menge auch eine stetige Grundmenge einstellen zu können.
Zur Festlegung der absolut kleinsten Menge ist parallel zum Zumeßventil eine einstellbare Drossel vorgesehen. Die absolute Höchstmenge wird durch eine weitere, ebenfalls einstellbare Drossel, die in Reihe mit dem pulsbreiten-modulierten Ventil geschaltet ist, begrenzt. Die lineare Zuordnung zwischen dem effektiven Zumeßquerschnitt und dem Durchfluß wird durch Konstanthalten der Druckdifferenz über dem Zumeßquerschnitt erreicht. In manchen Anwendungsfällen, wie z.B. bei der Regelung von Gasturbinen, kann es erforderlich sein, die Grundmenge, und damit die Anschläge, selbsttätig zu verstellen, um den Zumeßbereich zu erweitern. Eine derartige Möglichkeit ist bei dem bekannten Vorschlag nicht vorhanden; die dazu als naheliegende Maßnahme zusätzlich vorzusehende Positioniereinrichtung würde jedoch ein komplexes, elektro-r mechanisches System bilden, durch das der Vorteil des an sich sehr einfachen, pulsbreiten-modulierten Zumeßsystems im wesentlichen zunichte gemacht würde. Darüber hinaus ist wegen mangelnder Redundanz der Sicherheitsfaktor bei diesem Zumeßsystem im Falle des Versagens des Ventils äußerst gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
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eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen unter Vermeidung zusätzlicher Steuer- und Regelmaß rahmen bzw. -einrichtungen ein einfaches und dennoch inhärent sicheres und dabei gleichzeitig feinstufiges Zumessen möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Ventil zur Lieferung eines kontinuierlich verstellbaren Teildurchflusses getaktet angesteuert wird, während die übrigen Ventile wahlweise zur Lieferung des aus Grundlastanteilen gebildeten Restdurchflusses diskontinuierlich zu- und/oder abgeschaltet werden. In überraschend einfacher Weise wird mit diesen Maßnahmen ein außerordentlich sicheres und feinstufiges Zumessen ermöglicht, da von mehreren der parallel geschalteten Ventilen, die sämtlich nur die möglichen Stellungen "Ein" oder "Aus" benötigen, eines pulsierend gesteuert wird und damit eine stufenlos veränderbare Teilmenge liefert und in dieser Eigenschaft nachfolgend als "Taktventil" bezeichnet wird, während die übrigen Ventile als sogenannte "Grundlastventile" eine grobstufige Grundmenge liefern. Durch geeignetes Steuern kann somit der Durchfluß mit Hilfe des Taktventils derart verändert werden, daß die grobstufige Grundmenge entsprechend der geforderten Sollmenge zu einer stetigen, feinstufig einstellbaren Gesamtmenge ergänzt wird.
Diese Vorteile, zu denen zusätzlich besonders die Tatsache zu zählen ist, daß keine mechanische oder hydraulische Rückmeldung erforderlich ist, machen die Erfindung insbesondere zum Zumessen von Kraftstoff für Gasturbinentriebwerke besonders bedeutsam, wobei dann vorzugsweise ein elektronischer Regler aus einem von einer übergeordneten Triebwerksregelung erhaltenen Sollwert die Ansteuersignale für die vorzugsweise als Magnetventile ausgebildeten Ventile ableitet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Druckdifferenz über den Kraftstoff-Magnetventilen, vorzugsweise durch einen Druckregler, konstant gehalten wird.
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/■
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Zumeßquerschnitte der Grundlastventile binär gestuft, d.h. die Durchflußmengen der Grundlastventile entsprechen einer binären Reihe, wodurch für das Zu- bzw. Abschalten einzelner Ventile insofern ein Optimum erreicht wird, als mit einer möglichst kleinen Anzahl von Ventilen ein möglichst großer Grundmengenbereich erzielt werden kann.
Die Erfindung benötigt also nur ein analog, d.h. kontinuierlich wirkendes Ventil, und zwar für einen gewissen Teildurchfluß, während der Restdurchfluß durch die digital schaltenden Grundlastventile geliefert wird. Dadurch werden Feineinstellungen möglich, die andernfalls eine praktisch nicht mehr realisierbare Anzahl von digital arbeitenden Ventilen benötigte.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Taktventil pulsbreitenmoduliert angesteuert, d.h. bei konstanter Taktfrequenz kann der Durchfluß durch Verändern der Dauer des "Ein"-Zustandes verstellt werden, wobei die Taktfrequenz so gewählt wird, daß die Zeitkonstante des Gasturbinentriebwerkes den Summendurchfluß im gewünschten Umfang glättet. Auf diese Weise ist ein kontinuierliches Verstellen des zeitlichen Mittelwertes des Durchflusses möglich. Sofern der Differenzdruck über dem Ventil konstant gehalten wird - wie dies vorzugsweise geschieht - und das Ventil schnell genug ist, um den Ansteuerpulsen zu folgen, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Mittelwert des Durchflusses und dem zeitlichen Mittelwert der Ansteuerimpulse, so daß.bei diesem analogen Zumeßverfahren keine mechanische oder hydraulische Rückmeldung erforderlich ist.
Da das Ventil den Ansteuerimpulsen nicht beliebig schnell folgen kann, werden die Aussteuerbereiche des pulsbreiten-
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modulierten Ventils ausgespart, d.h. die Aussteuerränder der Pulsbreitmodulation werden vermieden, das ist der Bereich der sehr kleinen Pulsbreiten bzw. Pulslücken, so daß man den Vorteil der Linearität behält.
In besonders einfacher Weise liefert die Erfindung ohne zusätzlichen Aufwand ein Notsystem, d.h. die vorgeschlagene Regelung ist inhärent sicher, wenn nämlich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Schaltzustand jedes Ventils überwacht und im Fehlerfall auch die Grundlastventile getaktet angesteuert werden. Zwar muß dabei dann eine größere Welligkeit des Gesamtdurchflusses in Kauf genommen werden, weil die Grundlastventile größere Mengen schalten und größere Schaltverzögerungen haben, und wird der Zumeßbereich durch den Ausfall eines Ventils entsprechend eingeengt, jedoch stellt diese Beeinträchtigung einen verschwindend kleinen Nachteil gegenüber dem enormen Vorteil der außerordentlich einfach zu erreichenden Notschaltung bzw. -steuerung dar.
Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Zumeßverfahrens für einen Zumeßbereich von etwa 1:50 dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Regelschema;
Fig. 2 ein zweites ausführliches Regelschema einschließlich - Notbetriebsschaltung;
Fig. 3 eine Tabelle der Ventilschaltstellungen in Abhängigkeit vom Eingangswert eines Analog-Digital-Wandlers (nachfolgend A/D-Wandler genannt) und die zugehörigen Bereichsmelderstellungen bei Verwendung eines Wandlers nach dem Bereichsdekodierungsprinzip;
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_4 den Kraftstoffdurchfluß und seine Verteilung auf die einzelnen Ventile in Abhängigkeit vom Sollwert;
Fig. 5 Ventilstellungen und Reglerverlauf bei Sollwertsprüngen und
Fig. 6 Ventilstellungen und Reglerverlauf im Notbetrieb.
In Fig. 1 ist das vereinfachte Regelschema eines Zumeßsystems mit vier Ein-Aus-Magnetventilen V1 bis V4 dargestellt, die zwischen der Kraftstoffeinlaßleitung 5 und der Kraftstoffauslaßleitung 6 liegen. Ein Druckregler 7 üblicher Bauart hält den Differenzdruck über den Ventilen konstant. Das elektrische Analogsignal Qo0-I]* das von einer übergeordneten Triebwerksregelung vorgegeben wird, dient als Sollwert für den Kraftstoffdurchfluß B.
Der binär kodierte A/D-Wandler 8 bildet die Ansteuersignale U2, U3, U4 für die Ventile V2, V3, V4, die die Grundmengenanteile zum Kraftstoffdurchfluß B addieren und daher im folgenden Grundlastventile genannt werden. In einer Kalibriereinrichtung 9 sind mit Hilfe von vier Potentiometern die elektrisch analogen Durchflußwerte Q1 bis Q4 der einzelnen Ventile gespeichert. Eine Schaltereinheit 10 schaltet in Abhängigkeit von Ansteuereignalen U1 bis U4 die Kalibrierwerte der eingeschalteten Ventile auf einen Istwertsummationspunkt 11, so daß das Signal Qj3+ die elektrische Analogie des Durchflusses B darstellt. Dabei können Fertigungstoleranzen im Durchfluß der Ventile durch die elektrische Kalibrierung ausgeglichen werden.
Die Differenz aus Qa01η und Qjs+ beaufschlagt einen integrierenden Regler 12, der wiederum eine Modulationsschaltung
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/Γ-
aussteuert, die die Ansteuerpulse U1 für das pulsierend steuerbare Taktventil V1 liefert. Abhängig vom Sollwert werden also Grundmengenanteile eingeschaltet und dernRest" über ein analog zumessendes Taktventil addiert.
Die Maximalmenge des getakteten Ventils muß also zumindest so groß sein wie die kleinste Grundmenge, um kontinuierlich den gesamten Zumeßbereich einstellen zu können.
Der A/D-Wandler muß mit Schalthysteresen behaftet sein, um zu verhindern, daß eine geringe Sollwertwelligkeit zum unerwünschten dauernden Umschalten der Grundlastventile führt. Diese Hysterese wird auch noch im Zusammenhang mit dem Notbetrieb benutzt. Da hier im Falle von drei Grundlastventilen nur ein 3-bit-Wandler benötigt wird, an den darüber hinaus keine besonderen Genauigkeitensanforderungen gestellt werden, weil Schaltpunktverschiebungen vom analog zumessenden Taktventil V1 ausgeglichen werden können, bietet sich ein diskret aufgebauter AD-Wandler nach dem Bereichsdekodierungsprinzip an, bei dem die Hysteresen leicht verwirklicht werden können.
Das ausführlichere Regelschema in Fig. 2 zeigt das Prinzip des A/D-Wandlers. Das vom Sollwert abgeleitete Signal Q'goii wird einem siebenstufigen Bereichsmelder 14 zugeleitet, der aus sieben Komparatorschaltern mit Hysteresen besteht. Ein Dekodierer 15 verarbeitet die Ausgänge K2 bis K8 des Bereichsmelders und steuert über Endstufen 17*18,19 mit den Signalen U2, U3, U4 die Magnetsysteme der Grundlastventile V2, V3, V4 an.
Die Tabelle gemäß Fig. 3 erläutert die Dekodierung und zeigt die Bereichsmelderstellungen K2 bis K8 sowie die Schaltstellungen der Ventile V2 bis V4 in Abhängigkeit vom Eingangswert Q'soll des A/D-Wandlers, wobei zur Vereinfachung die Schalt-
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hysteresen nicht berücksichtigt sind. Aus der Wertetabelle kann mit den bekannten Methoden der Booleschen Algebra die Dekodierung ermittelt werden.
Die Rückmeldungen U1 bis U4 in Fig. 2 werden vom Stromfluß durch die Spulen der Magnetventile abgeleitet. Damit ist der Vorteil verbunden, daß auch Leitungsunterbrechungen und Fehler in den Endstufen sofort erkannt werden können. Eine noch weitergehende Sicherheit könnte durch Verwendung einer hydraulischen Rückmeldung erreicht werden, die allerdings einigen Mehraufwand verursacht. Dazu muß jedem Ventil ein eigener Durchflußmeßfühler zugeordnet werden, z.B. ein Hitzdrahtfühler, mit dem lediglich festgestellt werden soll, ob Durchfluß vorhanden ist oder nicht. Die elektrische Rückführung wird allerdings auch in diesem Fall benötigt, weil die hydraulische Rückmeldung wegen ihrer Zeitkonstanten die Regelung verlangsamen bzw. zu Umschaltstößen führen würde.
Die Pulsbreitenmodulation des Ventils V1 wird mit Hilfe einer von einem Generator 20 gelieferten Dreieckhilfsspannung UD von konstanter Frequenz und Amplitude durchgeführt. Die Frequenz bestimmt die Taktfrequenz des Ventils V1 und wird so hoch gewählt, daß die Welligkeit des Kraftstoffdurchflusses von der Zeitkonstanten des Gasturbinentriebwerks genügend gut geglättet wird. Die Amplitude entspricht dem Maximaldurchfluß, der mit dem Ventil V1 zugemessen werden soll.
Die Differenz des Ausgangssignals UR des integrierenden Reglers 12 und der Dreieckhilfsspannung ü"D wird einem Komparator 21 zugeführt, d.h. das Reglersignal UR wird mit UD geschnitten. Die sich ergebende Impulsfolge K1 steuert über die Endstufe 16 mit dem Signal U1 das Ventil V1 an.
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Wie bereits erwähnt, sollen die Aussteuerränder der Pulsbreitenmodulation ausgespart bleiben, um Linearität zu erhalten. Das bedeutet jedoch, daß das Ventil V1 immer eine gewisse Mindestmenge liefert. Wird V1 z.B. mit der Periodendauer T getaktet und arbeitet bis zu einer Pulsbreite T . linear, dann ergeben sich die Minimalmenge Qjn^n* die Maximalmenge Qmax und der Aussteuerbereich g, wobei Q1 der Durchfluß bei ständig geöffnetem Ventil V1 ist.
T ■ Q1
O = _min . Q1 g = Snin =
jin T""Tmin
Q muß mindestens so groß sein wie die kleinste Grundmenge, die nach Fig. 3 12,596 beträgt. Für das Beispiel
T = 21 ms, Tmin = 3 ms
ergibt sich dann
S = 1:6 °max = 12'596 °πϋη = 2'1# Q1 = 14'6*
In der Praxis wird Q1 etwas größer gewählt, um durch den erweiterten Zumeßbereich von V1 Toleranzen der übrigen Ventile, sowie die Schalthysteresen der Bereichsmelder ausgleichen zu können, z.B.
= 1ί6 Snax = 15^ °πϋη = 2'59(; Q1 = 17'596
Um diese Mindestmenge Qn^n auszugleichen, wird durch ein Potentiometer 22 in Fig. 2 der Eingangswert Q'Soll des Bereichsmelders 14 entsprechend verschoben, so daß die Schalt-
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X-
punkte des Bereichsmelders, sofern kein Notbetrieb vorliegt, jetzt statt bei einem Sollwert von 12,5%, 25%, 37,5% usw. bei 15%, 27,5%, 40% usw. liegen.
Fig. 4 zeigt für dieses Beispiel mit 2,5% Verschiebung den Kraftstoffdurchfluß und seine Verteilung auf die einzelnen Ventile in Abhängigkeit vom Sollwert, wobei die Schalthysterese vernachlässigt ist. In den Bereichen 0% bis 2,5% und 102,5% bis 105% besteht keine Linearität mehr, weil die Pulsbreiten bzw. Pulslücken des Taktventils V1 zu klein werden. Das ist hier jedoch ohne Bedeutung, weil diese Bereiche im Betrieb nicht benötigt werden.
Fig. 5 zeigt die Ventilstellungen und den Verlauf der Reglerspannung UR bei Sollwertsprüngen, wobei die zuvor genannten Zahlenwerte für die Ventildurchflüsse angenommen sind. Bei einem Sollwert Qq011 von 18% werden 12,5% vom Ventil V2 zugemessen. Die Reglerspannung UR, deren Schnittpunkte mit der Dreieckhilfsspannung Up die Ansteuerpulse für das Ventil V1 ergeben, verstellt sich solange, bis der zeitliche Mittelwert des Durchflusses durch V1 den restlichen 5,5% entspricht.
Bei einem kleinen Sollwertsprung auf 21% verändert sich nur das Aussteuerverhältnis, während bei einem großen Sprung auf 89% ebenfalls die Grundlastventile geschaltet werden.
Die Integriergeschwindigkeit des Reglers wird so groß gewählt, daß Un etwas flacher verläuft als ü"D, weil es sonst zu mehreren Schnittpunkten innerhalb einer Periode und damit zu unerwünschten Zwischentaktungen kommen würde. Mit dem so eingestellten Regler ist es dann möglich, jeden gewünschten Durchflußwert innerhalb einer Taktperiode einzustellen.
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Der Notbetrieb soll an Fig. 6 erläutert werden, wobei wieder die gleichen Ventildurchflüsse und ein Sollwert von 2496 angenommen sind. Die Reglerspannung UR bewegt sich im Normalbetrieb im Amplitudenbereich der Dreieckhilfsspannung U0. Wenn aber z.B. das Grundlastventil V2 durch einen Fehler abfällt, dann wird der Regler versuchen, die Pulsbreitenmodulation weiter auszusteuern, um mit dem Taktventil den Verlust zu kompensieren. Reicht jedoch der Maximaldurchfluß des Taktventils hierzu nicht aus, dann läuft UR aus dem Bereich von Ujj heraus und leitet damit den Notbetrieb ein.
UR wird, wie aus Fig. 2 hervorgeht, zusätzlich über eine "Tote Zone" 23 zum Bereichsmeldereingangswert Q'go-i-| addiert. Die "Tote Zone", die im einfachsten Fall aus zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie für Eingangswerte innerhalb der Schwellenspannung + Um das Ausgangssignal Null liefert, für Werte außerhalb + Um aber den Eingarjgswert vermindert um diese Schwellenspannung durchläßt. Um wird etwas größer als die Amplitude der Dreieckhilfsspannung U^ gewählt, so daß sichergestellt ist, daß im Normalbetrieb das Reglersignal vom Bereichsmelder entkoppelt ist.
Die Reglerspannung UR (abzüglich der Schwellspannung Um) vergrößert nun Q'jsqh s° lange, bis der nächste Schaltpunkt des Bereichsmelders erreicht ist. Dadurch wird ein zusätzlicher Grundlastanteil addiert. Im Beispiel gemäß Fig. 6 ist Jetzt der Gesamtdurchfluß größer als der Sollwert Qooll' und damit läuft die Reglerspannung zurück. Da aber am Bereichsmelder eine Hysterese vorgesehen ist, bleibt die zusätzliche Grundlast so lange eingeschaltet, bis Q'g -, die untere Hysterese erreicht.
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/κ*
Es bildet sich also eine freie Schwingung um den Bereichsmelderschaltpunkt aus. Die Frequenz hängt von der Schalthysterese, der Reglergeschwindigkeit und der zum Erreichen des geforderten Sollwerts benötigten Aussteuerung ab. Sie ist bei mittlerer Aussteuerung maximal und verringert sich bei kleiner und großer Aussteuerung.
Damit die Trägheit der Grundlastventile die Linearität der Zumessung nicht gefährdet, muß die minimale Pulsbreite begrenzt werden. Da die Hysteresen des Bereichsmelders nicht zu groß gewählt werden sollten, weil sonst der Maximaldurchfluß Q1 des Taktventils und damit auch der nichtlineare Zumeßbereich bei Normalbetrieb entsprechend vergrößert werden muß, ist eine Umschaltung der Integriergeschwindigkeit des Reglers vorgesehen. Sobald der Komparator 24 in Fig. 2, der das Ausgangssignal der "Toten Zone" 23 überwacht, eine Abweichung vom Null-Pegel feststellt, gibt er eine Meldung "Notbetrieb" an die zentrale Triebwerksregelung und verlangsamt über einen Umschalter 25 die Integriergeschwindigkeit des Reglers 12, so daß sich eine genügend große Mindestpulsbreite ergibt.
Mit diesem Notsystem, das nur einen sehr geringen zusätzlichen Elektronikaufwand benötigt, ist es also möglich, den Durchflußanteil von fehlerhaft abgefallenen oder angezogenen Ventilen durch Takten der übrigen Ventile zu ersetzen. Je nach Bereichsmelderschaltpunkt takten dabei ein oder mehrere Grundlastventile, während das Taktventil selbst dauernd entweder ein- oder ausgeschaltet ist.
Die Welligkeit des Kraftstoffdurchflusses ist größer als im Normalbetrieb, weil größere Teilmengen mit niedrigerer Frequenz geschaltet werden, aber der zeitliche Mittelwert ent-
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spricht immer noch dem Sollwert Qg011. Allerdings wird der Zumeßbereich durch den Ausfall von Ventilen eingeengt, d.h. bei fehlerhaft abgefallenen Ventilen läßt sich der entsprechende obere, bei fehlerhaft angezogenen Ventilen der entsprechende untere Zumeßbereich nicht mehr einstellen. In die sem Fall läuft der Regler 12 auf seinen positiven oder negativen Maximalwert. Daraus leitet ein Komparator 26 eine Fehlermeldung für die zentrale Triebwerksregelung ab, so daß dort geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
Das bisher beschriebene System geht von einem analogen Sollwert Qg0-I-I aus. Wenn die zentrale Triebwerksregelung aber einen digitalen Sollwert vorgibt, muß entweder ein handelsüblicher Digital-Analog-Wandler zwischengeschaltet oder aber das beschriebene Steuerverfahren mit einem Mikroprozessor verwirklicht werden. Der Mikroprozessor berechnet dann ausgehend vom Sollwert und den gespeicherten Kalibrierwerten der einzelnen Ventile die Ansteuersignale, führt den Vergleich mit den Ventilrückmeldungen durch und schaltet im Fehlerfall auf ein Notprogramm um.
Bei Verwendung eines Mikroprozessors lassen sich ohne großen Mehraufwand auch komplexere Algorithmen für den Notbetrieb verwirklichen, z.B. könnten niedrige Taktfrequenzen dadurch verhindert werden, daß beim Ausfall eines Ventils ein Grundlastventil mit einer festen Aussteuerung von 50% bzw. 2596 und zusätzlich das Pulsventil getaktet werden.
Die Erfindung ist überall dort mit Vorteil einzusetzen, wo eine stetige Zumessung mit inhärenter Redundanz über einen großen Zumeßbereich gefordert wird oder erwünscht ist.
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Leerseite

Claims (16)

  1. Pierburg Luftfahrtgeräte Union GmbH, Bataverstraße 80, 4040 Neuss
    Patentansprüche;
    ( 1.Verfahren zum Zumessen strömender Medien mit Hilfe mehrerer, —'parallelgeschalteter Ein-Aus-Ventile, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil zur Lieferung eines kontinuierlich verstellbaren Teildurchflusses getaktet angesteuert wird (Taktventil), während die übrigen Ventile
    wahlweise zur Lieferung des aus Grundlastanteilen gebildeten Restdurchflusses diskontinuierlich zu- und/oder abgeschaltet werden (Grundlastventile).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Zumessen von Kraftstoff für Gasturbinentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Regler aus einem von einer übergeordneten Triebwerksregelung erhaltenen Sollwert die Ansteuersignale für die vorzugsweise als Magnetventile ausgebildeten Ventile ableitet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz über den Kraftstoff-Magnetventilen konstant gehalten wird.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch binäre Abstufung der Durchflußmengen der Grundlastventile.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktventil pulsbreitenmoduliert angesteuert wird.
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  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerbereiche des pulsbreitenmodulierten Ventils ausgespart werden, in denen keine Linearität mehr zwischen dem Durchfluß und dem zeitlichen Mittelwert der Ansteuerimpulse besteht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß die maximale Durchflußmenge des pulsbreitenmodulierten Ventils so groß gewählt wird, daß die kleinste Grundlastmenge und ein zusätzlicher Anteil zum Ausgleich der Schalthysteresen in der Elektronik und der Toleranzen in der Kalibrierung der anderen Ventile noch innerhalb des linearen Bereichs des pulsbreitenmodulierten Ventils eingestellt werden können.
  8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Stromfluß durch die Spule jedes Magnetventils als Rückmeldung für den Schaltzustand jedes Ventils verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ventil entsprechend seinem Durchfluß ein elektrischer Kalibrierwert zugeordnet wird und daß diese Werte entsprechend den Ventilrückmeldungen zum elektrischen Summenistwert zusammengefaßt werden.
  10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines analogen Sollwerts ein binär kodierter A/D-Wandler mit Schalthysterese die Grundlastventile abhängig vom Sollwert schaltet und ein integrierender Regler entsprechend der Sollwert-Istwert-Differenz das Taktventil ansteuert.
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  11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines oder mehrerer Ventile durch Takten der Grundlastventile bzw. der übrigen Grundlastventile ein Notbetrieb aufrechterhalten wird.
  12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des integrierenden Reglers zusätzlich über eine "Tote Zone" zum Eingangssignal des A/D-Wandlers addiert wird, und daß diese "Tote Zone" den Regler im Normalbetrieb entkoppelt, im Notbetrieb jedoch, bei dem der Regler aus dem Bereich der "Toten Zone" herausläuft, den Eingriff auf den Analog-Digital-Wandler ermöglicht, wobei sich eine freie Schwingung um einen der Schaltpunkte des Wandlers ergibt.
  13. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Integriergeschwindigkeit des Reglers im Notbetrieb durch Umschaltung verkleinert wird, so daß sich eine genügend große minimale Pulsbreite für die sich einstellende freie Schwingung ergibt.
  14. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines digitalen Sollwerts ein Mikroprozessor benutzt wird, der ausgehend vom Sollwert und den gespeicherten Kalibrierwerten der einzelnen Ventile die Ansteuerungssignale berechnet, den Vergleich mit den VentilrUckmeldungen durchführt und im Fehlerfall ein Notprogramm fährt, bei dem Grundlastventile getaktet werden, die dann die Funktion der fehlerhaften Ventile mit übernehmen.
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  15. 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den oder anstelle der elektrischen Rückmeldungen zur Überwachung hydraulische Rückmeldungen verwendet werden.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15 unter Verwendung je eines Fühlers für jedes Ventil, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils überwacht wird, ob im Ventil Durchfluß besteht oder nicht.
    909821/02Oi
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