Open-Loop-Steuerung
Open-Loop bedeutet, dass diese Durchflusskontrollart ohne Sensoren und damit ohne Ist-Wert-Abgleich arbeitet. Man verlässt sich auf Datenblattangaben oder Erfahrungswerte.
Warum nicht gleich Closed-Loop?
Closed-Loop-Steuerungen haben den Vorteil eines Ist-Sollwert-Abgleichs mit einem Sensor. Bei Durchflussregelungen wird aufgrund der höheren Kosten eines Durchflusssensors oft abgewogen, ob sich eine Open-Loop-Steuerung nicht auch realisieren lässt.
Das Proportionalventil
Das Proportionalventil ist ein modifiziertes direktgesteuertes Sitzventil. Es enthält Stick-Slip-freie Dichtungen. Das Ventilinnere wurde modifiziert, um einen "Schwebezustand" des Stößels zu ermöglichen. Zusätzlich wurde die Spule angepasst, um das PWM-Signal optimal zu handhaben.
Ansteuerung mit PWM
Es existieren mehrere Ansteuerungsarten für Proportionalventile. Die PWM-Lösung wird bevorzugt, da sie die stabilste ist. PWM (Puls-Weiten-Modulation) ist eine Steuerung, bei der die gewählte Spannung (z.B. 24V) in einem Zeitraum (z.B. während 50%) unterbrochen und wieder eingeschaltet wird. Dies verringert die Durchschnittsspannung während der gesamten Zeitperiode. Dadurch verringert sich der Strom proportional, was zu einer Verringerung der Magnetkraft im Ventil führt. Die Magnetkraft beeinflusst den Ventilanker, der beim Proportionalventil den Durchfluss steuert. Eine PWM-Steuerung ist einfach in der eigenen Steuerung zu implementieren, meist werden Frequenzen von 500-1000 Hz verwendet.
Alternative Ansteuerungsarten
Der Strom kann auch direkt mit einem Potentiometer gesteuert werden, jedoch ist diese Methode in der Praxis ungenauer und produziert mehr Wärme als die PWM-Steuerung.
Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Spannungsregelung ohne PWM-Signal. Auch hier zeigt die Erfahrung, dass diese Methode ungenauer ist als eine PWM-Steuerung.
Genauigkeit der Open-Loop-Steuerung
Für eine möglichst genaue Sollwert-Erreichung müssen elektrische Ansteuerung und Proportionalventil aufeinander abgestimmt werden. Es existieren verschiedene Störfaktoren und Variablen. Eine Genauigkeit von etwa 3-5% kann erreicht werden, je nach Ventil und Ansteuerung. Die Hysterese bei den meisten Ventilen beträgt 5-10%, wird aber meist nicht kompensiert.
Minimierung elektrischer Variablen
Bei der elektrischen Steuerung muss die Proportionalventil-Spulen-Erwärmung kompensiert werden. Die Spule erwärmt sich mit der Zeit bis zu einem gewissen Punkt. Die Ventilspule kann bis 80°C an der Oberfläche erreichen. Durch die höhere Temperatur verringert sich der elektrische Widerstand in der Spule. Dadurch erhöht sich der Strom und die Spule entwickelt mehr Magnetkraft, was zu ungewollt höherem Durchfluss führt. Es ist wichtig, in der PWM-Steuerung eine Strommessung zu implementieren und die Stromerhöhung bei gleichbleibendem Duty Cycle zu kompensieren.
Minimierung pneumatischer Variablen
Auf der pneumatischen Seite ist es wichtig, den Druck möglichst genau einzustellen. Normalerweise reicht ein Membrandruckregler aus. Ein Präzisionsdruckregler ist meist nicht erforderlich. Der Durchfluss am Eingang des Proportionalventils muss höher sein als der maximale Sollwert am Ventilausgang. Empfehlenswert ist ein Sicherheitsfaktor von 2x.
Fazit
Eine Proportionalventil-Steuerung mit Open-Loop ist nicht ganz einfach, aber mit dem richtigen Know-how durchaus machbar. Es kann sich wirtschaftlich lohnen, die Open-Loop-Variante der Closed-Loop-Variante vorzuziehen. Mit dieser Methode kann eine Genauigkeit von 3-5% erreicht werden.