Technischer Leitfaden zu druckkompensierten Stromregelventilen

Ein druckkompensiertes Stromregelventil ist eine Vorrichtung, die eine interne Drosselstelle so nachregelt, dass sich der eingestellte Volumenstrom bei Änderungen des Eingangsdrucks oder des nachgeschalteten Drucks weniger stark verändert. Es hält den Volumenstrom nicht unter allen Bedingungen konstant. Das Ventil muss innerhalb seiner festgelegten Grenzwerte für Druck, Differenzdruck, Volumenstrom, Temperatur und Medium betrieben werden. Diese Unterscheidung ist in der Pneumatik besonders wichtig. Die Dichte von Gasen ändert sich mit Druck und Temperatur, und an einem gedrosselten Durchgang kann sich eine kritische Strömung einstellen. Ein aussagekräftiges Datenblatt gibt deshalb an, ob sich der Volumenstrom auf das tatsächliche Volumen, das Normvolumen oder den Massenstrom bezieht, und nennt die zugehörigen Referenzbedingungen. Ein Cv-Wert allein kann die Kompensationsleistung nicht belegen.

Das Wichtigste: Die Druckkompensation hält die Druckdifferenz über einer Messdrossel nahe einem konstruktiv festgelegten Wert – jedoch nicht unter allen Bedingungen. Bei einem handelsüblichen, pneumatikgeeigneten Modell ist eine Differenz von 10 psi werkseitig eingestellt. Prüfen Sie vor der Auswahl die Volumenstromtoleranz, die Referenzbedingungen für das Gas, die Grenzwerte für Ein- und Ausgang, die Durchflussrichtung und das dynamische Ansprechverhalten des Ventils.

Dieser Leitfaden erläutert, wie druckkompensierte pneumatische Stromregelungen erkannt, ausgewählt und geprüft werden. Einen breiteren Vergleich von Drosseln, Rückschlagventilen und Abluftsteuerungen bietet zunächst der Hauptleitfaden zu pneumatischen Stromregelventilen.

In diesem Leitfaden: was die Kompensation regelt, wie der Mechanismus arbeitet, wo die Kompensation endet, Unterschiede zwischen den Geräteklassen, Auswahl, Schaltungsrichtung, Inbetriebnahme und häufig gestellte Fragen.

Was regelt die Druckkompensation tatsächlich?

Festo unterscheidet zwischen einer gewöhnlichen Drossel, deren Volumenstrom von der Druckdifferenz abhängt, und einem druckkompensierten Stromregelventil, das den eingestellten Volumenstrom bei Änderungen des Druckabfalls aufrechterhält. Die Regelgröße ist die Differenz über einem Drosselelement und nicht allein der Eingangsdruck (Festo Flow Control Valves).

Bei einem passiv kompensierten Ventil wird über die Einstellung eine Drosselfläche festgelegt. Eine Membran oder ein Schieber erfasst den Druck auf beiden Seiten dieser Drosselstelle und verstellt eine zweite, variable Öffnung. Steigt der verfügbare Differenzdruck, schließt der Kompensator so weit, dass die Druckdifferenz an der Messdrossel nahe ihrem konstruktiv festgelegten Wert bleibt. Sinkt die Differenz, öffnet er.

Die bekannte Beziehung für eine Blende verdeutlicht das Funktionsprinzip:

$$ Q \propto A_o \sqrt{\Delta p_o} $$

Dabei ist $Q$ der Volumenstrom, $A_o$ die gewählte Drosselfläche und $\Delta p_o$ die Druckdifferenz über diesem Drosselelement. Wird $\Delta p_o$ annähernd konstant gehalten, hängt $Q$ hauptsächlich von der Einstellung $A_o$ ab.

Dieser Ausdruck veranschaulicht ein Prinzip und ist keine Auslegungsgleichung für Druckluft. Gasdichte, Absolutdruck, Temperatur, Ausströmverhalten und kritische Strömung beeinflussen den pneumatischen Durchfluss. ISO 6358-3 behandelt stationäre Durchflusskenngrößen pneumatischer Baugruppen bei unterkritischen und kritischen Strömungsbedingungen. Die endgültige Auslegung muss daher anhand der Gasdurchflussdaten des Herstellers und der angegebenen Referenzbedingungen erfolgen (ISO 6358-3:2014).

Die schnellste Katalogprüfung besteht darin, nach einer angegebenen Kompensationsdifferenz oder einem geregelten Druckabfall zu suchen. Der PCFCD von Beswick arbeitet beispielsweise mit einer werkseitig voreingestellten Differenz von 10 psi über seiner verstellbaren Blende und weist einen separaten Luftdurchflussbereich aus. Das ist ein Beleg für Kompensation. Eine Produktbezeichnung mit Begriffen wie „Präzision“ oder „Geschwindigkeitsregler“ ist es nicht (Beswick PCFCD).

Wie hält der Kompensator den Volumenstrom nahe dem Sollwert?

Eine handelsübliche passive Konstruktion verwendet eine reibungsarme Membran mit einer werkseitig voreingestellten Regeldifferenz von 10 psi und einem maximalen Eingangsdruck von 135 psig bei 70°F. Beswick weist außerdem darauf hin, dass dieser PCFCD hauptsächlich für Flüssigkeiten vorgesehen ist. Diese Einschränkung muss berücksichtigt werden, bevor ein scheinbar geeignetes Ventil mit Luft eingesetzt wird (Beswick PCFCD).

Nehmen wir an, der nachgeschaltete Strömungswiderstand steigt, während der Eingangsdruck konstant bleibt. Der am Ventil verfügbare Differenzdruck sinkt. Der Kompensator bewegt sich in Richtung eines größeren internen Durchgangs, sodass ein größerer Anteil des verfügbaren Druckabfalls über der fest eingestellten Drosselstelle verbleibt. Sinkt der Ausgangsdruck, drosselt der Kompensator den variablen Durchgang, damit die Messdifferenz nicht proportional ansteigt. Der Mechanismus kann keinen Druck erzeugen. Nähert sich der Eingangsdruck dem Ausgangsdruck zu stark an, erreicht der variable Durchgang schließlich seine vollständig geöffnete Stellung. Ab diesem Punkt sinkt der Volumenstrom mit der verbleibenden Druckdifferenz. Am anderen Ende des Arbeitsbereichs setzen Druck, Temperatur, Federkraft, Reibung, Dichtungsverhalten und Durchgangskapazität obere Grenzen. Eine gute Leistungsangabe besteht deshalb aus vier Teilen: eingestellter Volumenstrom, Eingangsdruckbereich, zulässiger Ausgangs- oder Gegendruckbereich und Genauigkeits- beziehungsweise Volumenstromabweichungsband. Nennt ein Katalog lediglich Maximaldruck und Anschlussgröße, beschreibt er damit nicht die Kompensationsleistung.

Wo endet der Kompensationsbereich?

Beim Beispiel von Beswick sind ein maximaler Eingangsdruck von 135 psig bei 70°F, eine voreingestellte Regeldifferenz von 10 psi und ein separater Luftdurchflussbereich von 0 bis 20 Standardkubikfuß pro Stunde angegeben. Dabei handelt es sich um Produktdaten und nicht um allgemeingültige Grenzwerte für Pneumatikventile. Diese Kombination definiert einen bestimmten nutzbaren Arbeitsbereich und keine Branchenregel (Beswick PCFCD).

Unter folgenden Bedingungen ist mit einer schwächeren oder vollständig aussetzenden Kompensation zu rechnen:

• Unzureichender Differenzdruck. Ist der Kompensator vollständig geöffnet, kann er den Volumenstrom nicht mehr stabilisieren.
• Volumenstrom außerhalb des kalibrierten Bereichs. Sehr kleine Öffnungen reagieren empfindlich auf Verunreinigungen. Am anderen Ende kann ein vollständig geöffnetes Drosselelement den Regelbereich des Kompensators überschreiten, sodass sich die Einstellung nicht mehr sinnvoll auflösen lässt.
• Übermäßiger Gegendruck. Ein stark drosselnder Schalldämpfer, ein zu klein dimensioniertes Abluftventil, ein gemeinsamer Verteiler oder eine lange Leitung kann den verfügbaren Differenzdruck aufzehren.
• Druck oder Temperatur außerhalb des Nennbereichs. Federverhalten, Membrankraft, Gasdichte, Dichtungen und Gehäusebeanspruchung entsprechen dann nicht mehr dem veröffentlichten Arbeitsbereich.
• Schnelle Übergangsvorgänge. Passive mechanische Elemente benötigen Zeit und Stellweg zum Reagieren. Ein kurzer Zylinderhub kann beendet sein, bevor sich der Volumenstrom stabilisiert hat.

Beurteilen Sie die Reserve nicht allein anhand des Versorgungsdrucks. Messen Sie $p_1$ unmittelbar vor und $p_2$ unmittelbar nach dem Stromregelventil, während sich der Antrieb bewegt. Der am Ventil verfügbare Differenzdruck beträgt $\Delta p_v = p_1 - p_2$. Statische Manometerwerte, Reglereinstellungen und der Druck im Druckluftbehälter können die lokalen dynamischen Bedingungen verschleiern.

Weitere Informationen zu vorgeschalteten Ursachen für den Verlust von Differenzdruck finden Sie im Leitfaden zur Dimensionierung von Druckluftleitungen und zum Druckverlust.

Passive Kompensation, Nadelventile und elektronische Regelung

Im Datenblatt des elektronischen VPCF von Festo sind für die dokumentierten Varianten eine Wiederholgenauigkeit von 0.5% des Endwerts, eine Absolutgenauigkeit von 3% des Endwerts und eine Hysterese von 0.8% des Endwerts angegeben. Das Gerät integriert Sensoren und Regelelektronik, ist nicht reversierbar und zeigt, wie eine Dokumentation für einen geschlossenen Regelkreis aussieht. Diese modellspezifischen Werte gelten nicht für passive Ventile (Festo VPCF Data Sheet).

Die drei Geräteklassen lösen unterschiedliche Aufgaben:

Gerät	Was sich intern ändert	Hauptrückführung	Bedeutung der Einstellung	Typische Einschränkung
Nadel- oder Einweg-Geschwindigkeitsregler	Vom Anwender eingestellte Drossel bleibt fest	Keine	Öffnung oder indexierte Drehknopfposition	Volumenstrom ändert sich mit dem Differenzdruck
Passives druckkompensiertes Ventil	Kompensator verstellt einen zweiten Durchgang	Mechanisches Druckgleichgewicht	Kalibrierter oder nominaler Volumenstrom	Funktioniert nur innerhalb seines Kompensationsbereichs
Elektronischer Volumenstromregler	Proportionalelement bewegt sich unter Sensorregelung	Gemessener Volumenstrom und Elektronik	Vorgegebener Volumenstromwert	Benötigt Energieversorgung, passende Signalschnittstelle und Reaktionszeit

Ein elektronisches Proportionalventil ist nicht automatisch ein Volumenstromregler. Es kann eine Schieberstellung vorgeben, ohne den Volumenstrom zu messen. Der Leitfaden zu Proportionalventilen erklärt den Unterschied zwischen einem proportionalen Steuerbefehl ohne Rückführung und einer geregelten Größe im geschlossenen Regelkreis.

Wie wählen Sie ein Ventil für Druckluft aus?

ISO 6358-1 legt stationäre Prüfverfahren für Bauteile mit kompressibler Strömung und festen oder variablen Strömungswegen fest. Ihr Anwendungsbereich schließt jedoch Bauteile aus, bei denen eine interne Rückführung zu instabilen Koeffizienten führt, beispielsweise Druckregler. Fragen Sie deshalb, welches Prüfverfahren und welche produktspezifische Kennlinie den Daten des kompensierten Ventils zugrunde liegen, statt anzunehmen, ein einziger Koeffizient decke alle Bedingungen ab (ISO 6358-1:2013).

Beginnen Sie die Spezifikation mit dem gewünschten Regelergebnis. Geben Sie den erforderlichen Volumenstrom und die zulässige Abweichung beim niedrigsten und höchsten dynamischen Eingangsdruck der Maschine an, gefolgt vom Bereich des nachgeschalteten Drucks oder Gegendrucks. Nennen Sie bei Luftdurchflusseinheiten auch die Referenznorm und die Temperatur. „500 L/min“ ist unvollständig, wenn der Käufer nicht erkennen kann, ob damit Norm-, Standard-, Freiluft- oder tatsächlicher Volumenstrom gemeint ist.

Prüfen Sie anschließend für die genaue Teilenummer folgende Merkmale:

1. Medium und Reinheit: Eignung für Druckluft, erforderliche Filtration, Schmierungsvorgaben und Feuchtigkeitstoleranz.
2. Kompensationsbereich: minimaler Eingangsdruck, maximaler Eingangsdruck, zulässiger Ausgangsdruck, minimale Ventildifferenz und kalibrierter Volumenstrombereich.
3. Leistungsdefinition: Volumenstromtoleranz, Hysterese, Wiederholbarkeit, Temperatureinfluss, Ansprechverhalten und die Prüfbedingungen hinter jedem Wert.
4. Pneumatische Kapazität: Gasdurchflusskennlinie des Herstellers, Schallleitwert oder Cv, sofern angegeben, Anschlussgröße, Schlauchgröße und nachgeschalteter Strömungswiderstand. Der separate Leitfaden zum Ventil-Cv erläutert die Kapazitätsauslegung; Kapazität ist jedoch nicht gleich Kompensationsgenauigkeit.
5. Schaltungsverhalten: bevorzugte Richtung, Rückstromkapazität, integriertes Rückschlagventil, Absperrverhalten, Wiederanlaufverhalten und Zulässigkeit des bidirektionalen Betriebs.
6. Mechanische Integration: Gewindenorm, Dichtungswerkstoff, Einbaulage, Einstellsicherung, Manipulationsschutz, Temperaturbereich und Wartungszugang.

Addieren Sie keinen willkürlichen Prozentsatz als „Sicherheitsfaktor“. Eine Überdimensionierung kann den Betriebspunkt an das untere Ende des Einstellbereichs verschieben, wo die Auflösung möglicherweise unzureichend ist. Halten Sie den erforderlichen Volumenstrom im nutzbaren Regelbereich des Herstellers und stellen Sie beim ungünstigsten gleichzeitigen Bedarf eine ausreichende dynamische Druckdifferenz sicher.

Zuluft-, Abluftdrosselung und Rückströmverhalten

SMC beschreibt die Abluftdrosselung als vergleichsweise stabil gegenüber Laständerungen, weil der Druck auf der Abluftseite den Kolben zurückhält, weist jedoch darauf hin, dass das Verhalten bei Zuluftdrosselung stärker von der Last abhängt. Die Produkte AS-R und AS-Q zeigen zudem, dass Aussagen zu Energie und Geschwindigkeit von einer definierten Schaltung und Anwendung abhängen und nicht allein vom Begriff „Stromregelung“ (SMC AS-R/AS-Q Technical Brief).

Bei der herkömmlichen Regelung der Zylindergeschwindigkeit ist die Abluftdrosselung häufig die Ausgangslösung, weil sie in der entlüftenden Kammer einen Gegendruck aufrechterhält. Dieser Gegendruck ist entscheidend. Er verringert die über einem nachgeschalteten kompensierten Ventil verfügbare Differenz; ein Schalldämpfer oder der Abluftkanal eines Ventils kann sie weiter reduzieren. Prüfen Sie daher den Kompensationsbereich während der Bewegung. Eine Zuluftdrosselung kann für widerstehende Lasten, Luftsparschaltungen oder Produkte geeignet sein, die ausdrücklich für die versorgungsseitige Regelung ausgelegt sind. Für eine treibende Last ist sie als Standardlösung ungeeignet, weil sich der Antrieb schneller bewegen kann, als die einströmende Luft ihn regelt. Vertikale Achsen und andere durch die Schwerkraft unterstützte Lasten benötigen eine separat ausgelegte Lasthalte- und Sicherheitsstrategie.

Rückströmung ist eine Produkteigenschaft und darf nicht vorausgesetzt werden. Viele gewöhnliche pneumatische Geschwindigkeitsregler verbinden eine gedrosselte Richtung mit einem freien Rückstrom durch ein Rückschlagventil, wie im Standardkatalog für Stromregelventile von Parker dargestellt (Parker Pneumatic Flow Controls). Ein passiv kompensiertes Gerät kann dagegen einseitig arbeiten, bidirektional mit unterschiedlichen Kennlinien ausgeführt sein oder durch umgekehrten Differenzdruck beschädigt werden. Zeichnen Sie den vorgesehenen Pfeil in den Schaltplan ein und prüfen Sie das Datenblatt.

Der eigene Leitfaden zum Vergleich von Zuluft- und Abluftdrosselung behandelt das Lastverhalten ausführlicher.

Wie nehmen Sie ein druckkompensiertes Stromregelventil in Betrieb?

Für den elektronischen VPCF gibt Festo eine Wiederholgenauigkeit von 0.5% des Endwerts getrennt von der Absolutgenauigkeit von 3% des Endwerts und der Hysterese von 0.8% des Endwerts an. Bei einem passiven Ventil sind möglicherweise weniger Kenngrößen spezifiziert, doch die Logik der Inbetriebnahme bleibt gleich: Stellen Sie die angegebenen Randbedingungen her und vergleichen Sie den gemessenen Volumenstrom mit dem zulässigen Band (Festo VPCF Data Sheet).

Installieren Sie temporäre Druckmessstellen unmittelbar vor und nach dem Gerät. Platzieren Sie anschließend einen geeigneten Luftdurchflussmesser nachgeschaltet an der vom Hersteller vorgeschriebenen Stelle und in der verlangten Ausrichtung. Dokumentieren Sie die Referenzbasis des Durchflussmessers, damit spätere Messwerte vergleichbar bleiben.

Gehen Sie bei der Inbetriebnahme wie folgt vor:

1. Prüfen Sie Bauteil, Pfeilrichtung, Medium und Filter.
2. Stellen Sie den Normalwert bei einer stabilen Betriebsbedingung in der Mitte des Arbeitsbereichs ein. Dokumentieren Sie $p_1$, $p_2$, Volumenstrom, Temperatur, Zykluszeit des Antriebs und Einstellposition.
3. Stellen Sie den niedrigsten dynamischen Eingangsdruck bei Betrieb aller erwarteten gleichzeitigen Verbraucher her. Verwenden Sie nicht ersatzweise den Manometerwert am Regler ohne Durchfluss.
4. Stellen Sie den höchsten erwarteten Gegendruck einschließlich des installierten Wegeventils, der Leitungen, Verschraubungen, des Schalldämpfers und des gemeinsamen Abluftwegs her.
5. Prüfen Sie Start, Stopp, Wiederanlauf und beide angesteuerten Richtungen. Achten Sie auf kurzzeitige Übergeschwindigkeit oder langsames Einregeln, die bei einer stationären Volumenstrommessung unbemerkt blieben.
6. Wiederholen Sie die Prüfung beim oberen Eingangsdruck und vergleichen Sie jedes Ergebnis mit dem veröffentlichten Toleranzband des Produkts.
7. Sichern Sie die Einstellung, markieren Sie die freigegebene Position und archivieren Sie Drücke, Volumenstromreferenz, Temperatur, Zyklusergebnis, Messgerätekennung und endgültige Einstellung in der Maschinendokumentation.

Ändert sich die Zylindergeschwindigkeit weiterhin, obwohl der gemessene Volumenstrom durch das Ventil innerhalb der Toleranz bleibt, arbeitet das Ventil möglicherweise ordnungsgemäß. Die Bewegung hängt von weiteren Größen ab. Prüfen Sie Lastkraft, Dichtungsreibung, Endlagendämpfung, Kammerdruck, Ventilschaltung, Abluftwiderstand und Stick-Slip. Die Wiederholbarkeit des Volumenstroms und die Wiederholbarkeit der Bewegung hängen zusammen, sind aber nicht dieselbe Regelgröße.

Häufig gestellte Fragen zu druckkompensierten Stromregelventilen

Festo gibt an, dass druckkompensierte Stromregelventile den eingestellten Volumenstrom bei Änderungen des Druckabfalls aufrechterhalten. Im Datenblatt des elektronischen VPCF werden Genauigkeit, Hysterese, Richtung und Betriebsgrenzen separat ausgewiesen. Diese Einzelheiten bilden den Rahmen für die folgenden Antworten: Kompensation ist eine begrenzte Leistungszusage und kein Versprechen identischer Bewegungen in jeder pneumatischen Schaltung (Festo Flow Control Valves).

Ist ein gewöhnlicher pneumatischer Geschwindigkeitsregler druckkompensiert?

In der Regel nicht. Ein normaler Nadel-Geschwindigkeitsregler hält eine Öffnung fest, sodass sich der Volumenstrom bei einer Änderung des Differenzdrucks ebenfalls ändert. Ein tatsächlich kompensiertes Ventil nutzt eine Druckrückführung, um einen weiteren internen Durchgang zu verstellen, und sollte einen Kompensationsbereich, eine geregelte Differenz, eine Volumenstromtoleranz oder eine Leistungskennlinie ausweisen. Prüfen Sie das genaue Datenblatt, statt sich auf Begriffe wie Präzision oder konstante Geschwindigkeit zu verlassen.

Hält die Druckkompensation die Zylindergeschwindigkeit vollkommen konstant?

Nein. Sie verringert Änderungen des Volumenstroms nur innerhalb des veröffentlichten Arbeitsbereichs und der Toleranz des Ventils. Die Zylindergeschwindigkeit kann sich weiterhin durch Last, Reibung, Endlagendämpfung, Kammerdruck, Ventilsteuerzeiten, Abluftwiderstand, Temperatur oder Stick-Slip verändern. Prüfen Sie sowohl den gemessenen Ventilvolumenstrom als auch die tatsächliche Zykluszeit unter den minimalen und maximalen Betriebsbedingungen der Maschine.

Kann dasselbe Ventil den Volumenstrom in beide Richtungen regeln?

Nur wenn der Hersteller dies zulässt. Einige Ventile kompensieren in einer Richtung und ermöglichen durch ein Rückschlagventil einen freien Rückstrom. Andere sind nicht reversierbar oder weisen in jeder Richtung unterschiedliche Kennlinien auf. Stimmen Sie vor der Installation den Pfeil im Schaltplan, die zulässige Rückdruckbelastung und die Rückstromdaten auf die Ausfahr- und Einfahrschaltung ab.

Reicht der Cv-Wert zur Auswahl eines druckkompensierten Pneumatikventils aus?

Nein. Cv beschreibt die Durchflusskapazität unter festgelegten Prüfkonventionen; der Wert gibt nicht an, wie genau ein Ventil seinen eingestellten Volumenstrom bei Änderungen des Eingangsdrucks oder Gegendrucks hält. Für die Auswahl werden außerdem Gasreferenzbedingungen, kalibrierter Volumenstrombereich, Mindestdifferenz, Kompensationsgenauigkeit, Hysterese, Richtung, Temperatur und die pneumatische Leistungskennlinie des Herstellers benötigt.

Spart ein druckkompensiertes Ventil Druckluftenergie?

Nicht grundsätzlich. Eine passive Druckkompensation arbeitet weiterhin mit Drosselung und verbraucht eine Druckdifferenz. Sie kann einen übermäßigen Volumenstrom bei steigendem Versorgungsdruck verhindern, doch Energieeinsparungen erfordern nachweisbare Senkungen des Luftverbrauchs, des Drucks, der Leckage oder des Zyklusbedarfs. Vergleichen Sie den Luftverbrauch der Maschine vor und nach der Änderung, statt allein aufgrund der Ventilart Einsparungen anzunehmen.