A good feeling is half the battle

What is the quality of a control loop?

Sensor on CHP

A controller constantly compares a specified SET value with a measured ACTUAL value and determines a reaction (manipulated variable) from the difference (deviation) with the aim of making the deviation between the SET and ACTUAL values as small as possible. If, for example, a constant return temperature of 60°C is required for a CHP unit, this is the SET value, while the ACTUAL value is determined by a temperature sensor. A possible reaction would be a three-point signal that opens, stops or closes a mixing valve via an electric drive so that the return temperature is raised, maintained or lowered.

Regelverhalten durch Fühler

Unter der Güte des Regelkreises wird vor allem verstanden, wie genau und wie schnell der Regler den IST-Wert an den SOLL-Wert heranführt, beispielsweise nach einer sprunghaften Änderung des SOLL-Wertes zum Zeitpunkt T. Im Idealfall schießt der IST-Wert nur einmal geringfügig über das Ziel hinaus und nähert sich dann von dieser Seite dem SOLL-Wert an. Ist der Regler zu langsam, so vergeht zuviel Zeit, bis das Ziel erreicht wird. Ist der Regler zu schnell, so schwingt er mehrfach über das Ziel hinaus. Da in unserem Beispiel auch der Stellmotor Bestandteil des Regelkreises ist und damit dessen Güte beeinflusst, sollte seine Laufzeit am Regler korrekt eingestellt werden, sofern diese Option existiert.

Was ist eine Totzeit?

Große Entfernung des Fühlers zum Mischer

Unter der Totzeit der Regelstrecke wird die Zeitspanne verstanden, die vergeht, bis die Wirkung einer Änderung des Reglers vom Fühler erfasst wird. Befindet sich beispielsweise der Fühler unserer oben genannten Rücklaufanhebung am Rücklauf-Eingang des BHKW, während der Mischer 5m entfernt montiert wurde, so ist die Totzeit mindestens so groß wie die Laufzeit (t), die das Wasser benötigt, um die Strecke (s) mit der Geschwindigkeit (v) vom Mischer zum Fühler zu fließen.

t = s / v

v = Q / A = Q / ¼πDN²

Bei einem BHKW mit einer thermischen Leistung von 12,5kW, welches im Vorlauf 80°C liefert und im Rücklauf 60°C erhält, beträgt das Delta-T 20K und der Durchfluss (Q) somit 0,54m³/h. Damit ergeben sich für die folgenden Nennweiten folgende Fließgeschwindigkeiten (v) und für eine 5m-Strecke beispielsweise folgende Laufzeiten (t):

DN [mm] v [m/s] t [s]
15 ½” 0,84 5,9
20 ¾” 0,47 10,6
25 1″ 0,30 16,5
32 1¼” 0,19 27,0

Daraus ist zunächst erkennbar, dass eine stark überdimensionierte Nennweite zu einem deutlichen Anstieg der Totzeit führt. Und die steht einer hohen Reglergüte mit Sicherheit im Weg.

Warum die richtige Fühlermontage so wichtig ist?

Desweiteren ist klar, dass der Abstand zwischen dem Fühler und dem Mischer auf jeden Fall so klein wie möglich sein muss, um die Totzeit nicht unnötig zu vergrößern. Damit ist der Ort der Fühlermontage der erste Parameter, der beachtet werden muss.

Geringe Entfernung des Fühlers zum Mischer

Doch auch der Wärmeübergang vom Heizungswasser zum Fühler stellt eine Hürde mit Zeitrelevanz dar: je besser der Wärmeübergang ist, desto schneller reagiert der Fühler. Besonders verbreitet sind Anlegefühler, die von außen an die Rohrleitung montiert werden, durch die das zu messende Heizungswasser fließt. Dabei kommen im Wesentlichen drei Faktoren zum Tragen:

Kontaktfläche
Die Kontaktfläche sollte möglichst groß sein. Wird beispielsweise ein Fühler längs auf einem Wellrohr platziert, so stehen dem Wärmeübergang nur mehrere kleine Punkte zur Verfügung.Wellrohr

Bei einem glatten Rohr besteht der Kontakt zwischen Fühler und Rohr noch aus einer Linie. Erst durch den Einsatz von Wärmeleitpaste oder einer anderen Wärmebrücke wird aus der Linie die erforderliche Kontaktfläche, die einen schnellen Wärmeübergang garantiert.

Fühler Wärmeleitpaste

Fühler ohne Wärmeleitpaste und Fühler mit Wärmeleitpaste

Wärmeleitfähigkeit der Übergangs-Materialien

Metalle sind die besten Wärmeleiter im Gegensatz zu Kunststoffen, Oxiden (Rost) oder anderen Verunreinigungen. Daher sollte das Rohr aus Metall bestehen und vor der Fühlermontage sorgfältig gereinigt werden.

Anpresskraft

Die Spannung der Anpresskraft sollte dauerhaft elastisch erhalten bleiben, was bei der Auswahl des Spannbands zu beachten ist. Insofern ist ein Spiralfederdraht sicherlich besser als ein Kabelbinder und ein Kabelbinder sicherlich besser als Klebeband.

Fühler mit Spannband

Anpresskraft durch Spannband

In jedem Fall sind Sachverstand und Sorgfalt des Monteurs gefragt, um an dieser Stelle unnötige Fehler zu vermeiden, die im ungünstigsten Fall die Regelkreisgüte soweit verschlechtern können, dass es zu permanenten Temperaturschwankungen im Rücklauf des BHKW kommt.

Fühler BHKW

Schlechter Wärmeübergang führt zu längerer Totzeit

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