Schnelle Durchflussregelung

Martin Hackenberg

In der Regel mussten für die Durchflussregelung bisher sehr teure Mass-Flow-Controller eingesetzt werden. Preiswertere Lösungen wurden häufig über den Umweg Druck und die Verwendung von druckgeregelten Proportionalventilen erzielt. Nachteil hierbei ist, dass Änderungen in der Anlage, sei es durch Umbau, Verschmutzung oder Verschleiß, eine Korrektur der eingestellten Parameter erfordern. Selbst ein abknickender Schlauch verändert die Ergebnisse des Prozesses. Deshalb ist eine echte Erfassung der physikalischen Größe Durchfluss und die damit verbundene Regelung von Vorteil. Geeignete Verfahren arbeiten mit Schwebekörpern, Flügelrad/Turbine, magnetisch induktiv oder thermisch oder basieren auf dem Coriolis-Messverfahren oder der Differenzdruckmessung über Messblenden. Dabei bietet sich die Differenzdruckmessung für ein dynamisches System besonders an, weil damit der Istwert ohne Zeitverzögerung zur Verfügung steht. Somit ist es möglich, eine Regelung aufzubauen, die schnell auf Änderungen des Sollwertes oder Störgrößen reagieren kann.

Das Durchfluss-Proportionalventil Flow-TronicD wurde speziell für Anwendungen entwickelt, die höchste dynamische Anforderungen an die Durchflussregelung stellen. Es besteht aus einem schnellen, direktgesteuerten, vom Eingangsdruck unabhängigen 2-Wege-Proportionalventil sowie einer Regeleinheit, die die gesamte Regelungselektronik und Sensorik beinhaltet. FlowTronicD regelt exakt den Durchfluss und reagiert auf Störgrößen von außen innerhalb kürzester Zeit. Die Messung des Gasflusses erfolgt über eine Venturidüse nach dem Wirkdruckverfahren. Die Venturidüse erzeugt in Abhängigkeit des Gasstromes einen Druckabfall. Dieser Differenzdruck wird über einen Differenzdrucksensor gemessen. Dazu wird der aktuelle Ausgangsdruck ermittelt. Der Durchfluss errechnet sich dann aus Differenz- und Ausgangsdruck.

FlowTronicD lässt sich u. a. für die Lenkluftsteuerung der Sprühdüsen in Lackieranlagen einsetzen. Durch die unterschiedliche Luftmenge aus den Lenkluftdüsen des Zerstäubers wird die Breite des Lackierstrahles eingestellt. Ein kleiner Durchfluss durch die Lenkluftdüsen ergibt einen breiten Lackierstrahl, ein großer Durchfluss einen schmalen Lackierstrahl. Im Betrieb ist es erforderlich, innerhalb kürzester Zeit in Abhängigkeit der Form des zu lackierenden Werkstückes die Lenkluft zu verändern, um auf dem gesamten Werkstück die gewünschte Schichtdicke des Lackes zu erhalten und den Verlust an Lack so gering wie möglich zu halten.

Durch den Einsatz einer vollständig digitalen Regelelektronik und einer USB-Schnittstelle kann der Regler des FlowTronicD an verschiedene Anlagen angepasst werden. Die Inbetriebnahme erfolgt komfortabel über die Auto-Tune-Funktion in Verbindung mit der PC-Software Asco FlowCom. Mithilfe der Scope-Funktion wird das Einschwingverhalten des Systems auf dem PC visualisiert. Vier analoge Kanäle können gleichzeitig Sollwert, Istwert und einzelne Regelparameter darstellen. Dies erleichtert die Einstellung der optimalen Regelparameter für die Anlage. Die aufgezeichneten Kurven werden mit den Regelparametern abgespeichert und können per E-Mail versandt werden. Damit ist eine Beurteilung des Prozesses auch von außerhalb möglich.

Die ermittelten Regelparameter können über die Schnittstelle auf weitere Proportionalventile übertragen werden. Eine Diagnose des Regelventils ist über eingebaute LEDs auch ohne die PC-Software möglich. Die LEDs zeigen an, ob die Versorgungsspannung in den zulässigen Grenzen vorhanden ist und ob ein Sollwert anliegt. Wird der über den Sollwert angewählte Durchfluss nicht erreicht, zeigt dies ebenfalls eine LED an. Der Zustand der LEDs ist bei ungünstiger Einbaulage auch über die Software abfragbar.

Ein auch bei schlechten Lichtverhältnissen gut ablesbares dreistelliges LED-Display zeigt den aktuellen Durchfluss in Nl/min an. Über die Software können auch andere Größen wie z.B. Ausgangsdruck, Sollwert oder Istwert ausgewählt werden.

Durch zwei Tasten ist ein Handbetrieb des Gerätes möglich. Ohne Anlegen eines Sollwertes kann der pneumatische Aufbau der Anlage und der Prozess überprüft werden. Der Handbetrieb kann direkt am Ventil oder durch Trennen der Versorgungsspannung abgeschaltet werden. Der Durchflussregler FlowTronicD ist mit und ohne LED-Anzeige und Bedientasten lieferbar.

Durch den weiten Einstellbereich der Parameter und die IP-Schutzklasse 65 kann das Gerät in vielen Applikationen, beispielsweise zum Mischen von Gasen in der Verfahrenstechnik, Verpackungs- und Lebensmittelindustrie, Umwelttechnik, Oberflächenveredelung oder für Brennersteuerungen, eingesetzt werden.

Until now, either very expensive mass flow controllers had to be used or – indirectly – pressure together with pressure-controlled proportional valves as a cheaper alternative. These may be viable options as long as no changes become necessary on the system itself, because all such changes – whether due to modifications, pollution or wear and tear – require previous parameter settings to be corrected. Even a kink in a badly routed hose has an impact on the results of a process. For this reason, real-time measurement of the physical “flow” variable, along with the associated control, is a great advantage.

The flow rate can be determined using various measurement technologies, such as particle flow measurement, impeller/turbine flow measurement, magneto-inductive flow measurement, Coriolis flow measurement or differential pressure measurement. Differential pressure measurement lends itself particularly well to dynamic systems since the feedback occurs in real time without any delay. It is therefore possible to set up a control loop that quickly responds to setpoint or disturbance changes.

The FlowTronicD proportional valve is especially designed for applications which place extreme dynamic demands on flow control. It consists of a fast, directly actuated, two-port proportional valve that operates independently of the inlet pressure and a control unit which contains all the control electronics and sensors. FlowTronicD offers precise flow adjustment and responds to outside influences almost instantly. The flow is measured according to the differential pressure method using a venturi tube. The venturi tube creates a pressure drop in proportion to the flow rate. This pressure differential is measured with a differential pressure sensor. The actual outlet pressure is measured as well. The flow rate is then calculated from the differential pressure and the outlet pressure.

One application for FlowTronicD is controlling air to the spray nozzles of paint coating systems. The width of the spray pattern is adjusted through the different volumes of air supplied to the atomizer’s nozzles. Low throughput through the air nozzles results in a wide spray pattern while a high throughput provides a narrow spray pattern. Depending on the shape of the part to be coated, the air volume may need to be adjusted very quickly during paint spraying operations, in order to obtain the desired layer thickness and keep loss of paint to a minimum.

All-digital control electronics and a USB interface allow the FlowTronicD controller to be adapted to different applications. An auto-tune function and the AscoFlowCom PC software enable easy start-up. The scope function provides a view of the system’s transient response on the PC. Four analog channels display the setpoint, feedback value and individual control parameters simultaneously to facilitate the adjustment of the optimal control parameters for the system. All curves are stored along with their associated control parameters. E-mail transmission of the project allows it to be reviewed and assessed without having to be present on site. In this way, support can be provided to determine the ideal parameters. The control parameters can also be copied to other proportional valves over the interface. It is possible to perform control valve diagnostics with the built-in LEDs without using the PC software. The LEDs show whether the supply voltage is within the allowable limits and whether a setpoint is applied. One LED also indicates whether the flow rate selected with the setpoint setting is maintained. The status of the LEDs can also be checked in the software if the valve is unfavourably placed. An additional, clear 3-digit LED display provides easy-to-read current flow metering information in Nl/min, even in poor light. Other variables, such as outlet pressure, setpoint or feedback values can be selected over the software.

Two buttons on the FlowTronicD controller enable manual operation. The pneumatic arrangement of the system and the process can be verified without applying a setpoint. Manual operation can be switched off directly on the valve or by disconnecting the voltage supply. FlowTronicD is available with or without LED display and operating buttons. Its wide parameter adjustment range and IP65 protection allow the instrument to be used for many applications, including mixing gases in chemical engineering, the packaging and food processing industries and environmental technology.

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