Proportionales Magnetsteuerventil erklärt

Ein Proportionalmagnetventil ist ein Ventil, das zur Regelung des Flüssigkeitsdurchflusses verwendet wird, indem die Größe des Durchflusses über eine Drosselstelle verändert wird. Mit dem geregelten Durchfluss werden anschließend die Parameter eingestellt, die einen Prozess in einem System beeinflussen, vor allem Niveau, Druck und Temperatur. Zu den anderen wichtigen Parametern gehören: Gewicht, Dicke, Feuchtigkeit, Dichte, Ph-Wert, Farbe und Viskosität.

Bei einem automatischen Regelventil wird die Drosselklappe durch ein Signal von einem Steuergerät, dem sogenannten Stellantrieb, gesteuert. Ein Proportional-Regelmagnetventil verwendet einen Magneten als Stellglied für eine variable Ventilpositionierung.

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Funktionsprinzip

Ein direktgesteuertes 2-Wege-Standard-Proportionalmagnetventil arbeitet sehr ähnlich wie ein direktgesteuertes Magnetventil, mit dem Unterschied, dass das erstere über einen Bereich von Ventilstellungen arbeitet, während das letztere nur zwei Schaltzustände (d. h. ein/aus) bietet, Abbildung 2. Bei einem direktgesteuerten Proportionalmagnetventil ist der Stößel die Drossel.

Im Prinzip ist es möglich, den Stößel mit variabler Gleichspannung proportional zu steuern, doch in der Praxis beeinträchtigt die statische Reibung an den Führungspunkten des Stößels die Empfindlichkeit des Ventils, was zu größeren Hystereseeffekten führt (das Phänomen, bei dem der Wert einer physikalischen Eigenschaft hinter den Veränderungen der verursachenden Wirkung zurückbleibt). Um Haftreibung zu vermeiden, kann das normale Einlasssignal mit Hilfe einer speziellen Steuerelektronik in ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal (PWM) umgewandelt werden.

Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Technik, die häufig zur Steuerung der Stromzufuhr zu elektrischen Geräten verwendet wird. Der Durchschnittswert der Spannung (und des Stroms), die dem Magneten zugeführt werden, wird durch schnelles Ein- und Ausschalten des Netzschalters gesteuert (Abbildung 3). Diese Art der Steuerung versetzt den Stößel in eine sehr schnelle, aber schwache Amplitudenschwingung. Durch die Oszillation wird der Kolben in einen Gleichgewichtszustand versetzt, der seine konstante Gleitreibung aufrechterhält. Die Oszillationsbewegung des Kolbens hat keinen Einfluss auf das Strömungsverhalten der Flüssigkeit.

Je länger der Schalter im Vergleich zu den Aus-Zeiten eingeschaltet ist, desto höher ist die dem Magneten zugeführte Gesamtleistung. Der Begriff Tastverhältnis beschreibt das Verhältnis der Einschaltdauer t1 zur Zyklusdauer T. Ein niedriges Tastverhältnis entspricht einer geringen Leistung, da die Leistung die meiste Zeit über ausgeschaltet ist. Die Einschaltdauer wird in Prozent angegeben, wobei 100 % bedeutet, dass das Gerät vollständig eingeschaltet ist.

Bei einem stromlos geschlossenen Magnetventil drückt die Feder den Stößel nach unten in eine vollständig geschlossene Position, so dass das Ventil geschlossen bleibt. Durch Anlegen von Strom an die Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Stößel gegen die Rückholfeder nach oben bewegt. Bei einer Einschaltdauer von 100 % wird die Magnetspule vollständig mit Strom versorgt und das Ventil offen gehalten. Einschaltdauern zwischen 0 und 100 Prozent verändern den Durchfluss des Ventils proportional. Zum Beispiel bewegt eine Einschaltdauer von 50 %, die dem Magneten zugeführt wird, die Feder und den Stößel auf 50 % des Betriebsbereichs. 

Auswahlkriterium

Bei Anwendungen mit kontinuierlichem Durchfluss ist die Wahl der geeigneten Ventilgröße viel wichtiger als bei Auf/Zu-Ventilen. Bei einer hohen Blendeneinstellung kann das Ventil bereits bei einer sehr kleinen Öffnung (Hub) die volle Durchflussmenge erreichen. Der verbleibende Hub ist dann unbrauchbar, was die Auflösung und die allgemeine Regelgüte des Ventils beeinträchtigt. Bei einer zu kleinen Düsengröße hingegen erreicht das Ventil nicht die volle Durchflussmenge. Es wird empfohlen, dass der Druckabfall über das Ventil etwa 30 % des gesamten Druckabfalls im System beträgt.

Für eine korrekte und genaue Steuerfunktion müssen die Magnetventile entsprechend ihrem speziellen Zweck konfiguriert und ausgewählt werden. Die wichtigsten Parameter für die Auswahl eines Magnetregelventils sind der kV-Wert (angegeben in m3/h) und der Druckbereich der Anwendung. Je kleiner die Öffnung des Ventils oder je stärker die Spule, desto höher der Druck, den das Ventil absperren kann. Der höchste benötigte kV-Wert wird anhand der Auslegungsformeln in Abbildung 4 berechnet.

Anhand des errechneten kV-Wertes und des Druckbereiches der geplanten Anwendung kann ein entsprechend geeigneter Ventiltyp und dessen erforderliche Blende bestimmt werden. Bitte beachten Sie, dass die kV des Ventils idealerweise um etwa 10 % größer sein sollten als die kV der Anwendung.

Weitere Auswahlkriterien sind der maximale Betriebsdruck, das Medium (Flüssigkeit), der Stromverbrauch, die Kompatibilität der Materialien, die Ansprechzeit, die Medientemperatur, die Betriebsspannung und der Anschluss, um nur einige zu nennen. Weitere Informationen zu diesen Auswahlkriterien finden Sie in diesem Artikel oder im Datenblatt des Herstellers für das jeweilige Produkt.

Typische Anwendungen

Hier sind einige gängige Anwendungen von Proportionalmagnetventilen.

• Brenner/Flammensteuerung: In einer Brennersteuerung müssen zwei Gase geregelt werden, die beide in einem gewünschten Verhältnis zueinander stehen. Das Verhältnis von Brenngas zu Oxidationsgas, z. B. Luft oder Sauerstoff, wird durch die für den jeweiligen Prozess erforderliche Flamme bestimmt.
• Niveauregelung mit Druckbeaufschlagung (Flow Pressure Control): Eine mögliche Art der Niveauregulierung ist die atmosphärische Druckregelung. Ein PID-Regler liefert über zwei Magnetsteuerventile so viel Luft oder Stickstoff, dass immer der gleiche Druck auf die Flüssigkeit wirkt, der sich ändert, wenn der Flüssigkeitsdruck durch Entfernen eines Teils der Flüssigkeit sinkt.
• Gemisch aus kaltem und warmem Wasser: Ein Pt100-Temperatursensor misst die Temperatur des Mischwassers. Der Temperaturregler bringt diese Temperatur auf den vorgegebenen Sollwert, indem er zwei magnetische Regelventile entsprechend steuert.
• Temperaturkontrolle: Ein Magnetregelventil kann die Kaltwasserzufuhr zu einem Wärmetauscher in Abhängigkeit von der gemessenen Brauchwassertemperatur einstellen. Ist dieser Wert höher als der Referenzwert, ist mehr kaltes Wasser erforderlich. Ist er niedriger als der Referenzwert, ist weniger Kühlung erforderlich. Ein Heizkreislauf funktioniert auf ähnliche Weise.
• Flusskontrolle: Ein Magnetsteuerventil kann direkt als Steuerventil eingesetzt werden, z.B. zur direkten Durchflussregelung.
  Aktuatorsteuerung (statische Druckregelung): Zwei magnetische Steuerventile können die Luft für den pneumatischen Antrieb (Kolbenventil, Zylinder usw.) steuern. Ein PID-Regler bestimmt, welches der beiden Ventile sich öffnen muss. Die Steuerelektronik stellt den Antrieb über die Magnetregelventile so ein, dass der Istwert mit dem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt.
• Ejektoren/Druckregelung: Ein Magnetventil kann die Durchflussmenge des Treibgases steuern. Mehr Treibgas erzeugt eine höhere Saugleistung und ein tieferes Vakuum in der Saugleitung. Die Steuerung stellt das Ventil in Abhängigkeit vom Vakuumdruck ein.

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