Material: elektrisches regelventil für dampfmaschine

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Schnabel

Beiträge: 4

Donnerstag, 9. Februar 2012, 10:38

elektrisches regelventil für dampfmaschine

guten tag liebes Modellbauer,

ich bin Student und meine Aufgabe ist es, eine Miniaturdampfmaschine (von Wilesco) zu Automatisieren.
Ein Konzept habe ich mir schon überlegt und befinde mich gerade in der Materialsuche. Leider finde ich kein passendes Ventil um den Durchfluss des Dampfes zu regulieren.
Ich bin also auf der Suche nach einem elektronisch ansteuerbares Regelventil mit folgenden Kriterien:
- DN3-8
- 2-3 bar
- Mediumtemperatur ca 120°C
- Ansteuerung über 0-10V bzw. 4-20mA oder Digital

habe die letzten Tage mit Suchen verbracht unter anderem bei GEMÜ oder MOOG was geeignetes gefunden (https://download.gemue.de/search.php?L=4…ywords=563regel).
Das Problem dabei ist, dass überall die Medientemperatur auf 80°C begrenzt ist. Deswegen wollte ich mal euch fragen, ob ihr nicht vielleicht ähnliche Ventile verbaut habt oder Seiten wisst, wo man auch mal nachschauen könnte, aber im Moment weiß ich echt nicht weiter

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jo-loom

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Donnerstag, 9. Februar 2012, 10:52

Hallo Schnabel,

Analogventile wie von MOOG (die Nozzle flapper Typen) sind Luftfahrtzertifiziert und erfüllen teils auch gemäß MIL-Spec. Wir haben sie mannigfach in den Hochdruckhydrauliken an F1-Fahrzeugen eingesetzt. Dort laufen sie im direkten Getriebeumfeld bei 180°C Außentemperatur. Das wesentliche Problem: ein solches MOOG-Ventil liegt bei etwa 5000 US$ (...)

Grundsätzlich sollten alle Industrieventile aus dem Sektor Hydraulik oder Pneumatik vom Metallkörper her Dampf aushalten. Der Bottleneck dürften die Dichtungen sein, die man gegebenenfalls gegen Teflonringe austauschen kann.

Mein Vorschlag ist aber ein anderer:

Ansatz 1: Kontaktier doch mal bewusst deutsche Lieferanten (z. B. Festo im Schwabenländle) und hangel Dich bis zu den Entwicklern durch. Schildere Deine Aufgabenstellung und frag, ob sie nicht in der Grabbelkiste ein Restteil haben, wo sie Dir temperaturfeste Dichtungen zulegen könnten. Nach meiner Erfahrung sind die oftmals durchaus hilfsbereit. Auch in Nürnberg sitzt ein Produzent für Hydraulikventile, komme aber grad nicht auf den Namen.

Ansatz 2: Evtl. gibt es aus dem Bereich Modelldampfmaschinen mechanische Regelventile. Diese könntest Du dann über ein Gestänge mit einem RC-Servo, also einem Aktuator aus dem Fernsteuerbereich anlenken. Vorteil: diese Servos kosten lediglich 5 Euro, ein passender Servotester weitere 5 Euro.
Da nach grober Einschätzung die Regelgüte sowie Regelzeit sehr moderat ausfallen dürften, müsste eine solche mechanische Ansteuerung durchaus reichen. MOOGs setzt man aufgrund der irre schnellen 8 ms Ansprechzeit nur dann ein, wenn es wirklich auf höchste Regelgeschwindigkeit ankommt (z. B. Schaltmannöver beim F1 im Bereich unter 20 ms).

Gruß und viel Erfolg,
Johannes

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Schnabel

Beiträge: 4

Donnerstag, 9. Februar 2012, 11:10

dankejo-loom für die schnelle antwort

dein ansatz 2 war mein 1. ansatz

hab mir den Servo RS 2 (https://www.conrad.de/ce/de/product/2337…D-SERVO-RS-2-JR) sowie Servotester gekauft (dieses zusammenbauset). Leider stellte sich beim testen herraus, dass diese ziemlich ungenau sind. Liegt das am Servotester (https://www.conrad.de/ce/de/product/2349…earchDetail=005), an meinen schlechten Lötkünsten oder an genau diesem Servo? Auch habe ich dann später das Problem beim ansteuern. Diese werden ja über eine Frequenz angesteuert (1-2khz) und die SPS die sie steuern soll sind dazu viel zu ungenau...
aber werde wohl zuerst bei GEMÜ nachfragen, ob man dieses auch mit anderen Dichtungen bekommen kann

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jo-loom

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Realname: Johannes

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Donnerstag, 9. Februar 2012, 11:33

Hallo nochmals,

alle Modellbau-Servos werden über ein sogenanntes PWM-Signal angesteuert. Alle 20 ms kommt ein digitaler Impuls, der in seiner Länge variiert. Servomittelstellung bei 1,5 ms, Minimum 1,0 ms, Maximum 2,0 ms.
Man kann einige Servos auch mit höheren Frequenzen ansteuern, prinzipiell ist aber meist 100 Hz das Ende der Fahnenstange.
Bedenkt man nun, dass ein mechanisch unbelastetes Servo etwa 200 bis 300 ms für den maximalen Verfahrweg benötigt, dann ist man schnell bei einer begrenzten Regelkonstante von vielleicht 5 Hz angelangt. Sollte aus meiner Sicht aber langen.

Grundsätzlich sind die Conrad-Servos (Typ RS-2) zwar qualitativ nicht der Brüller, aber verwendbar. Heißt: Du hast ein minimales Zittern (<1%). Sollte es bei Dir deutlich schlimmer aussehen, dann ist beim Aufbau was falsch gelaufen.
Wichtig ist eine stabile Spannungsversorgung. Andernfalls kann es passieren, dass der Servomotor durch seine Stromaufname zu einem Spannungseinbruch führt, was wiederum Rückkopplungen in der Ausregelung mit sich bringt.

Übrigens: die Schnittselle von einer SPS auf einen Servoimpuls kannst Du in unterschiedlichster Form hinbekommen. Am einfachsten wäre es wie folgt: Das Drehpoti Deines Servotesters geht meist an einen Pin eines kleinen Mikrocontrollers, welcher die analoge Eingangsspannung misst. Hier kannst Du das Poti auslöten und stattdessen einen Analogausgang der SPS, angepasst über einen Widerstands-Spannungsteiler anbinden. Beispielsweise zur reduktion von 24 VDC auf 5 VDC.
Fertig.

Beschreib doch mal, was Du eigentlich genau regeln möchtest?
Gruß,
Johannes

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jo-loom

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Donnerstag, 9. Februar 2012, 11:49

Kleine Ergänzung,

ich hab mir mal kurz die Schaltung von Deinem Servo-Tester angesehen. Ist Käse... Das ist eine analoge CMOS Multivibratorschaltung, so wie man es in den 70er Jahren machte.
Alle modernen Servotester verwenden einen Mikrocontroller mit Quarz-Timing, also hoch präzise.
Solche Teile bekommst Du über die Bucht für 3 Euro und 4 Wochen Wartezeit aus Hongkong. Alternativ kann ich Dir einen für 5 Euro schicken.
Läuft bestimmt deutlich stabiler.

Gruß,
Johannes

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Schnabel

Beiträge: 4

Donnerstag, 9. Februar 2012, 12:20

Also ich bin Mechatronikstudent im 3.Semester (also nichts ganzes und nichts halbes).Da ich im Miniaturbau keine Ahnung habe tuhe ich mir auch etwas schwerer. Auch meine Kenntnisse über Regelungstechnik sind begenzt (erst im 4. Semester).
Was mir einzig zu Gute kommt, ist dass ich mich relativ gut mit der SPS AC500 mit Analog und Digitalmodulen. Aber zu meiner Aufgabe:
Ich muss eine Dampfmaschine D14 (

https://wilesco.de/wilesco/index.php?id=22&L=0) automatisieren und nach der Drehzahl regulieren.
Also Kohleschieber raus und Heizpatrone rein (450Watt patrone schon vorhanden). Auch müssen im Kessel Sensoren den Druck, Temperatur und Füllstand messen. Da habe ich aber auch schon einige Probleme. (Füllstand bei siedenem Wasser ->Wasseroberfläche). Dann wollte
ich am Rad einen Inkrementaldrehgeber (schon gekauft) über eine Kardanwelle anbringen um so die Drehzahl messen zu können. An meinem beschriebenen Problem geht es Primär um das Ventil für die Dampfregulierung. Wollte wie gesagt zuerst einen Servo mit einer Zahnradübersetzung das Ventil ansteuern (zwischen 0 und ca 100% Ventilstellung sind es an dem vorhandenen Ventil nur eine 3/4 Umdrehung, also mit einer Übersetzung für nen Servo machbar). Die Sensoren für den Füllstand sollen auch eine Druckpumpe (https://www.btd24.de/Pumpen/Druckpumpe-3-bar-inkl-Zubehoer-Dauerlaeufer::730.html?XTCsid=ho8l03pmgp59ogt3agrinndl0gquvku1)ansteuern, die den Wasserstand regelt. Also alle Sensoren und Aktoren an die SPS anschließen (mit Netzteilen und Relais/Schütze) und dann erstmal das 4. Semester überstehn

Mein jetziges Hauptproblem ist Materialbeschaffung der Miniaturbauteile, da sie den nötigen Druck/Temperatur standhalten müssen. Auch weiß ich nicht ob das alles so klappen wird wie ich mir das vorstelle.....
Aber dein Plan mit dem Poti im Servotester ist ne Überlegung wert. Die Regelgeschwindigkeit ist für mich erstmal nicht das Thema. Flaschenhals wird hier eh der Tauchsieder sein, der das Wasser (ca 600ml) nicht sofort aufheizen kann. Vorgestellt habe ich mir eh einen Zeitraum von 10-15sec...
wenn du noch verbesserungsvorschläge hast, immer raus damit

wenn es wirklich einen geeignetes Regelventil gibt, müsste ich das alte Ventil auslöten und die Rohrverlegung überdenken, sowie die Platzverteilung(da nur begenzt Platz vorhanden).

Edit:
danke für dein Angebot mit dem Servotester, aber bevor ich jetzt dein Angebot wahrnehmen habe ich noch einige fragen... Grund ist eher das Zeitproblem, Kosten spielen eher eine untergeordnete Rolle.
Könnte ich den Poti von meinem Servotester auch ausbauen und mit deiner Methode ansteuern (denke mal ja),dann würde ich es erst einmal mit dem "oldschool" Dingens probieren, damit mein Cheffe Ergebnisse sieht

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jo-loom

Beiträge: 2 494

Realname: Johannes

Wohnort: Gastarbeiter im Bajuwarischen Königsreich

Donnerstag, 9. Februar 2012, 14:17

Hi Schnabel zur dritten Runde,

die Drehzahlerfassung würde ich persönlich super einfach über eine Gabellichtschranke oder besser noch über eine Reflexlichtschranke machen. Die Bauteile (Infrarot-LED plus IR-Fototransistor gibts für 1 Euro in der Bucht). Hierbei wird lediglich am Schwungrad ein kleiner Sticker aufgeklebt (schwarzes Isolierband). Die Lichtschranke kannst Du dann an einen Zählereingang der SPS führen. Inkrementalgeber sind äußerst aufwendig, mechanisch und zudem belasten sie die Dampfmaschine ein wenig.
Bei Deinem Servotester kannst Du probieren statt des Potis eine Steuerspannung anzulegen. Diese müsstest Du an der Verbindung zwischen den Poti und R3 einspeisen. Am besten 0 bis 5 Volt. Solltest Du eine höhere Analogspannung haben (z. B. 12 Volt), dann über einen niederohmigen Spannungsteiler verkleinern.
Temperaturmessung ist völlig simpel. Einfach einen zur SPS passenden Temperaturfühler (NTC, K-Type etc.) anstecken und ins Wasserbad führen. Das Problem wird die Abdichtung sein. Es gibt aber z. B. K-Type-Fühler mit Gewinde, die man mit einem Dichtring einschrauben könnte.
Druckmessung: Hier gibt es fertige Drucksensoren mit Gewindeflansch. Meist nicht grad billig. Diese gibt es mit integriertem Verstärker, so dass Du eine verwertbare Spannung erhältst. Alternativ passive Drucksensoren mit externem Verstärker. Am besten mal googlen, welcher Typ günstig ist und die Temperatur abkann.
Den Füllstand würde ich über vermutlich zwei Elektroden messen. Entweder hochohmigen Widerstandsdraht (NiCrNi / Konstantan) oder halt zwei kleine eingetauchte Leiterplatten mit mehreren Kupferflächen in unterschiedlicher Höhe. Allerdings befürchte ich, dass es im Inneren des Kessels ordentlich blubbert und eine stabile Füllstandsmessung nicht leicht wird.
Regelung: So wie ich Dich verstehe brauchst Du eine Drehzahlregelung. Diese wirst Du niemals über die Temperatur des Kessels hinbekommen. Einzige Möglichkeit ist über den abgegebenen Druck, vielmehr über die Dampfmenge. So funktioniert schließlich auch jede Dampflok. Die Nachregelung der Kesseltemperatur dient ja einzig dazu genügend Dampfvolumen bereitzustellen.