Regelventil-Kennlinie: linear oder gleichprozentig?

Die Frage nach der richtigen Regelventil-Kennlinie wird in der Praxis oft am falschen Ort beantwortet: im Datenblatt. Dort steht, welche Kennlinien lieferbar sind – linear, gleichprozentig, gelegentlich auf/zu. Was dort nicht steht, ist die einzige Angabe, die die Entscheidung tatsächlich trägt: wie viel Druckdifferenz Ihr Ventil im geöffneten Zustand gegenüber der übrigen Anlage übrig behält. Genau daran entscheidet sich, ob Ihr Regelkreis über den gesamten Lastbereich sauber arbeitet oder ob er im Teillastbereich pendelt und der Sitz nach zwei Jahren ausgewaschen ist.

Was die Kennlinie eines Regelventils überhaupt beschreibt

Die inhärente Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Hub und Durchflusskoeffizient bei konstanter Druckdifferenz über dem Ventil. Sie ist eine Labor­eigenschaft, ermittelt am Prüfstand, und sie hängt allein von der Geometrie der Drosselstelle ab – von der Form des Kegels, der Anordnung der Bohrungen im Käfig, dem Profil der Sitzkante.

Im Anlagenbetrieb sehen Sie diese Kennlinie nie. Sobald das Ventil öffnet, steigt der Durchfluss, mit dem Durchfluss steigen die Druckverluste in Rohrleitung, Wärmetauscher und Armaturen, und die Druckdifferenz über dem Ventil sinkt. Was am Stellungsregler ankommt, ist die Betriebskennlinie – die inhärente Kennlinie, verformt durch die Anlage. Die Auswahl der Kennlinie ist deshalb kein ästhetisches Detail, sondern eine Vorwärtskorrektur: Sie wählen die Verformung, die die Anlage ohnehin erzeugen wird, im Voraus gegen.

Das Ziel ist in fast allen Fällen dasselbe: eine möglichst gerade Betriebskennlinie. Der Regler soll bei zwanzig Prozent Stellsignal ungefähr denselben Durchflusszuwachs bewirken wie bei achtzig. Nur dann bleibt die Kreisverstärkung über den Lastbereich konstant, und nur dann lässt sich der Regelkreis in einem Betriebspunkt parametrieren, ohne im anderen instabil zu werden.

Linear oder gleichprozentig: der Unterschied in einem Satz

Bei der linearen Kennlinie ist der Durchflusszuwachs je Hubeinheit konstant. Zehn Prozent mehr Hub bedeuten am unteren wie am oberen Ende dieselbe absolute Zunahme des Kv-Wertes.

Bei der gleichprozentigen Kennlinie ist der Zuwachs relativ konstant. Zehn Prozent mehr Hub bedeuten am unteren wie am oberen Ende dieselbe prozentuale Zunahme – also absolut wenig, solange das Ventil fast geschlossen ist, und absolut viel, wenn es weit offen steht. Genau dieses Verhalten kompensiert die anlagenseitige Verformung: Dort, wo die Anlage dem Ventil Druckdifferenz wegnimmt, hat die gleichprozentige Kennlinie ihre steile Flanke.

Daraus folgt die Faustregel, die in vielen Köpfen als Regel ohne Begründung überlebt hat: Wo das Ventil den überwiegenden Teil des Anlagendruckverlusts trägt, ist linear richtig. Wo es nur einen kleinen Teil trägt, ist gleichprozentig richtig. Die Größe, die den Übergang beschreibt, heißt Ventilautorität.

Die Ventilautorität entscheidet, nicht das Bauchgefühl

Die Ventilautorität ist das Verhältnis der Druckdifferenz über dem vollständig geöffneten Ventil zur Druckdifferenz über dem gesamten Regelkreis bei demselben Durchfluss. Ein Ventil, das im offenen Zustand die Hälfte des Gesamtdruckverlusts aufnimmt, hat eine Autorität von 0,5.

• Autorität ab etwa 0,5: Die Anlage verformt die Kennlinie kaum. Eine lineare inhärente Kennlinie ergibt eine annähernd lineare Betriebskennlinie.
• Autorität zwischen 0,3 und 0,5: Grenzbereich. Beides ist vertretbar, die gleichprozentige Ausführung ist meist die robustere Wahl.
• Autorität unter 0,3: Die Anlage dominiert. Eine lineare Kennlinie ergibt eine Betriebskennlinie, die im ersten Drittel des Hubs bereits siebzig Prozent des Durchflusses freigibt – der Regelkreis wird im Teillastbereich unbrauchbar. Gleichprozentig ist hier nicht Geschmackssache, sondern Voraussetzung.

Die Autorität ist keine Eigenschaft des Ventils, sondern eine Eigenschaft der Anlage samt Ventil. Sie lässt sich nicht aus dem Katalog ablesen und auch nicht nachträglich verbessern, ohne die Auslegung anzufassen. Wer sie in der Planungsphase nicht ermittelt, entscheidet die Kennlinienfrage faktisch per Zufall. Bei den Regelventilen aus unserem Programm lässt sich der Kegel bei den meisten Baureihen tauschen – die Korrektur ist also möglich, sie kostet aber Stillstand.

Wann die lineare Kennlinie die richtige Wahl ist

Linear passt überall dort, wo die Druckdifferenz über dem Ventil während des Betriebs weitgehend konstant bleibt. Das ist typischerweise der Fall bei Füllstandsregelungen, bei denen das Ventil gegen einen nahezu konstanten Behälterdruck arbeitet, und bei Durchflussregelungen in kurzen, druckverlustarmen Strecken, in denen das Ventil selbst die maßgebliche Drosselstelle ist.

Ein zweiter Fall wird oft übersehen: die Regelung auf ein Signal, das ohnehin schon linearisiert ist. Wenn ein Durchflussmesser als Führungsgröße dient und der Sollwert in Kubikmetern je Stunde vorgegeben wird, arbeitet der Kreis auf einer linearen Skala. Eine gleichprozentige Kennlinie legt darüber eine zweite Nichtlinearität, die niemand braucht.

Auch für Anwendungen mit sehr kleinen Stellbereichen ist linear meist die einfachere Lösung. Wo ohnehin nur zwischen vierzig und sechzig Prozent Hub gefahren wird, spielt die Form der Kennlinie eine untergeordnete Rolle – dann zählen Auflösung, Hysterese und die Qualität des Stellungsreglers mehr als die Kennlinienform.

Wann die gleichprozentige Kennlinie die richtige Wahl ist

Gleichprozentig ist die richtige Wahl, wo der Druckverlust der Anlage mit dem Durchfluss deutlich ansteigt. Das klassische Beispiel ist die Temperaturregelung an einem Wärmetauscher: Der Tauscher selbst erzeugt einen quadratisch mit dem Durchfluss steigenden Widerstand, das Ventil verliert bei zunehmender Öffnung laufend Autorität. Ohne gleichprozentige Kennlinie regelt ein solcher Kreis im oberen Lastbereich träge und im unteren viel zu scharf.

Dasselbe gilt für lange Rohrleitungen, für Kreise mit mehreren in Reihe liegenden Armaturen und für Umformstationen, in denen neben dem Regelventil noch Kühlwassereinspritzung, Drosselstrecke und Schalldämpfer Druck aufnehmen. Auch bei Drossel- und Regelklappen stellt sich die Frage in derselben Form: Die Klappe hat von Haus aus eine Kennlinie, die zwischen linear und gleichprozentig liegt und im letzten Öffnungsdrittel stark abflacht – ein Grund, Klappen in Regelaufgaben nicht über etwa siebzig Grad Öffnungswinkel zu fahren.

Ein praktischer Nebeneffekt spricht ebenfalls für gleichprozentig: Im unteren Hubbereich bewegt sich der Kegel bei kleinen Durchflussänderungen weiter vom Sitz weg als bei einer linearen Ausführung. Das schont die Sitzkante genau dort, wo die Strömungs­geschwindigkeiten am höchsten sind und Erosion am schnellsten Schaden anrichtet.

Der häufigste Fehler in der Praxis: das Ventil ist zu groß

In der überwiegenden Zahl der Fälle, in denen ein Regelkreis nicht sauber läuft, ist die Kennlinie nicht das eigentliche Problem. Das Ventil ist schlicht zu groß ausgelegt. Sicherheitszuschläge auf den berechneten Kvs-Wert summieren sich: einer vom Verfahrenstechniker, einer vom Planer, einer vom Lieferanten, der die nächstgrößere Nennweite anbietet, weil sie lagernd ist.

Das Ergebnis ist ein Ventil, das im Auslegungspunkt bei fünfzehn Prozent Hub steht. Dort ist jede Kennlinie steil, die Auflösung des Antriebs am schlechtesten und die Strömungs­geschwindigkeit an der Drosselstelle am höchsten. Kavitation, Geräuschentwicklung und Sitzverschleiß folgen zwangsläufig. Eine gleichprozentige Kennlinie mildert die Symptome, sie beseitigt die Ursache nicht.

Die belastbare Kennzahl dafür ist das Stellverhältnis: das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem regelbarem Kv-Wert. Übliche Werte liegen bei 30:1 bis 50:1, bei Käfigventilen auch darüber. Wer ein Ventil so auslegt, dass der kleinste Betriebspunkt unterhalb dieses Verhältnisses liegt, regelt dort nicht mehr, sondern schaltet. Prüfen Sie den kleinsten zu erwartenden Lastfall – nicht nur den Auslegungsfall.

Kennlinienkorrektur im Stellungsregler: Hilfe oder Notnagel?

Moderne Stellungsregler können die Kennlinie elektronisch verbiegen. Aus einem linearen Ventil lässt sich per Kennlinientabelle ein näherungsweise gleichprozentiges machen und umgekehrt. Das ist eine sinnvolle Möglichkeit – und eine gefährliche Verlockung.

Sinnvoll ist sie, wenn sich die Anlage nach der Inbetriebnahme anders verhält als berechnet und ein Kegeltausch unverhältnismäßig wäre. Sie ist auch das Mittel der Wahl, wenn ein und dasselbe Ventil in unterschiedlichen Betriebsarten gefahren wird.

Gefährlich wird sie, wenn sie ein falsch dimensioniertes Ventil kaschiert. Die Korrektur ändert nichts an der mechanischen Auflösung des Antriebs, nichts an der Strömungs­geschwindigkeit im Sitz und nichts an der Kavitationsneigung. Ein Ventil, das bei fünfzehn Prozent Hub arbeitet, arbeitet auch nach der Korrektur bei fünfzehn Prozent Hub – die Anzeige in der Warte sieht nur besser aus. Wenn Sie eine solche Korrektur in einer bestehenden Anlage vorfinden, lohnt der Blick auf das Auslegungsblatt: Häufig steht dort die eigentliche Antwort.

Häufige Fragen zur Kennlinie von Regelventilen

Kann ich die Kennlinie eines vorhandenen Ventils ändern?

In den meisten Fällen ja. Bei Sitz-Kegel-Ventilen wird der Kegel getauscht, bei Käfigventilen die Käfiggarnitur. Beides setzt voraus, dass die Baureihe entsprechende Garnituren vorsieht und dass die Armatur zugänglich ist. Der Aufwand ist überschaubar, der Stillstand ist es meist nicht – deshalb gehört die Entscheidung in die Planung und nicht in die Inbetriebnahme. Unsere Serviceabteilung übernimmt Umbau und anschließende Einstellung des Stellungsreglers vor Ort.

Welche Kennlinie brauche ich bei Dampf?

Die Frage lässt sich nicht über das Medium beantworten, sondern nur über die Druckverhältnisse. Bei Dampfanwendungen mit hohem Druckgefälle und kritischer Strömung ist die Autorität oft hoch, dann ist linear vertretbar. Sobald jedoch eine Umformstation mit Einspritzkühlung und Nachschaltdrossel dahinterliegt, verschiebt sich das Bild deutlich in Richtung gleichprozentig.

Was ist mit auf/zu-Anwendungen?

Dort spielt die Kennlinie keine Rolle, weil nur zwei Stellungen gefahren werden. Entscheidend sind Stellzeit, Dichtheitsklasse und die Frage, ob im Störfall geöffnet oder geschlossen werden muss. Für sicherheitsrelevante Abschaltungen sind ohnehin eigene Bauarten vorgesehen – siehe unsere Sicherheits- und Schnellschlussventile.

Woher bekomme ich die Werte für die Autoritätsberechnung?

Aus dem Anlagenschema und der Druckverlustrechnung des Planers. Fehlen sie, lassen sie sich im Betrieb messen: Differenzdruck über dem Ventil bei bekanntem Durchfluss, einmal bei kleiner und einmal bei großer Last. Zwei Messpunkte genügen für eine belastbare Abschätzung.

Fazit

Die Wahl zwischen linear und gleichprozentig ist keine Frage der Vorliebe und auch keine Frage des Mediums. Sie ergibt sich aus der Ventilautorität, und die ergibt sich aus der Anlage. Ermitteln Sie die Autorität im Auslegungspunkt, prüfen Sie zusätzlich den kleinsten zu erwartenden Lastfall gegen das Stellverhältnis, und wählen Sie die Kennlinie erst dann. Ein Ventil in der richtigen Nennweite mit der passenden Kennlinie regelt über Jahre unauffällig. Ein zu großes Ventil mit korrigierter Kennlinie beschäftigt Sie dauerhaft.

Wenn Sie bei einer konkreten Auslegung unsicher sind, rechnen wir sie mit Ihnen durch – mit den Fabrikaten, die wir für Österreich vertreten, und mit Blick darauf, was sich im Bestand tatsächlich tauschen lässt.

Control valve characteristics: linear or equal percentage?

The question of the right control valve characteristic is usually answered in the wrong place: the data sheet. A data sheet tells you which characteristics are available – linear, equal percentage, occasionally on/off. What it does not tell you is the one figure the decision actually rests on: how much differential pressure your valve retains, when fully open, compared with the rest of the system. That figure determines whether your control loop behaves across the full load range or hunts at part load and washes out the seat within two years.

What the characteristic actually describes

The inherent characteristic describes the relationship between travel and flow coefficient at constant differential pressure across the valve. It is a laboratory property, measured on a test bench, and it depends solely on the geometry of the throttling element – the shape of the plug, the arrangement of the ports in the cage, the profile of the seat edge.

You never see that characteristic in service. As soon as the valve opens, flow rises; with flow, the pressure losses in piping, heat exchanger and fittings rise; and the differential pressure across the valve falls. What reaches the positioner is the installed characteristic – the inherent characteristic, distorted by the system. Selecting a characteristic is therefore not a cosmetic detail but a feed-forward correction: you pre-compensate the distortion the system is going to introduce anyway.

In nearly every case the objective is the same: an installed characteristic as straight as possible. A twenty per cent control signal should produce roughly the same increase in flow as an eighty per cent one. Only then does loop gain stay constant across the load range, and only then can the loop be tuned at one operating point without becoming unstable at another.

Linear versus equal percentage in one sentence

With a linear characteristic, the increase in flow per unit of travel is constant. Ten per cent more travel produces the same absolute increase in Kv at the bottom of the stroke as at the top.

With an equal percentage characteristic, the increase is relatively constant. Ten per cent more travel produces the same percentage increase at both ends – which means very little in absolute terms while the valve is nearly closed, and a great deal once it is well open. That behaviour is exactly what compensates the distortion introduced by the system: where the system takes differential pressure away from the valve, the equal percentage curve has its steep flank.

Valve authority decides, not intuition

Valve authority is the ratio of the differential pressure across the fully open valve to the differential pressure across the entire control loop at the same flow rate. A valve that absorbs half of the total pressure drop when open has an authority of 0.5.

• Authority of roughly 0.5 and above: the system barely distorts the curve. A linear inherent characteristic produces an approximately linear installed characteristic.
• Authority between 0.3 and 0.5: a grey area. Either works; equal percentage is usually the more robust choice.
• Authority below 0.3: the system dominates. A linear characteristic will release seventy per cent of the flow within the first third of travel, and the loop becomes unusable at part load. Equal percentage is not a preference here, it is a prerequisite.

Authority is not a property of the valve but of the system including the valve. It cannot be read from a catalogue and cannot be improved afterwards without touching the sizing. On most of the control valve series we supply the plug can be exchanged, so a correction is possible – but it costs downtime.

When a linear characteristic is the right choice

Linear suits every application in which the differential pressure across the valve stays largely constant during operation. That is typically the case for level control, where the valve works against a nearly constant vessel pressure, and for flow control in short, low-loss runs where the valve itself is the dominant restriction.

A second case is often overlooked: control on a signal that has already been linearised. Where a flow meter provides the measured variable and the set point is given in cubic metres per hour, the loop already works on a linear scale. An equal percentage characteristic simply adds a second non-linearity that nobody needs.

Linear is also the simpler answer for very narrow operating ranges. Where a valve only ever moves between forty and sixty per cent travel, the shape of the curve matters far less than resolution, hysteresis and the quality of the positioner.

When an equal percentage characteristic is the right choice

Equal percentage is right wherever the pressure loss of the system rises significantly with flow. The classic example is temperature control on a heat exchanger: the exchanger itself creates a resistance rising roughly with the square of the flow, so the valve continuously loses authority as it opens. Without an equal percentage curve, such a loop responds sluggishly at high load and far too sharply at low load.

The same applies to long pipe runs, to loops with several fittings in series, and to conditioning stations where spray water injection, a downstream restriction and a silencer all absorb pressure alongside the control valve. With butterfly and control discs the question takes the same form: a disc has an inherent curve somewhere between linear and equal percentage that flattens noticeably in the last third of its travel – one good reason not to operate discs beyond roughly seventy degrees of opening in a control duty.

There is a practical side effect in favour of equal percentage as well. In the lower range of travel, the plug moves further away from the seat for a given change in flow than it would with a linear trim. That protects the seat edge exactly where velocities are highest and erosion does damage fastest.

The most common mistake in practice: the valve is oversized

In the majority of cases where a control loop misbehaves, the characteristic is not the real problem. The valve is simply too large. Safety margins on the calculated Kvs add up: one from process engineering, one from the planner, one from the supplier who offers the next nominal size up because it is in stock.

The result is a valve sitting at fifteen per cent travel at its design point. There, every characteristic is steep, actuator resolution is at its worst and velocity at the throttling point is at its highest. Cavitation, noise and seat wear follow inevitably. An equal percentage curve softens the symptoms; it does not remove the cause.

The meaningful figure here is rangeability: the ratio between the largest and the smallest controllable Kv. Typical values run from 30:1 to 50:1, and higher for cage-guided designs. If you size a valve so that its lowest operating point falls below that ratio, it no longer controls at that point – it switches. Check the smallest load case you expect, not only the design case.

Characterisation in the positioner: help or crutch?

Modern positioners can reshape the characteristic electronically. A linear valve can be made to behave approximately equal percentage through a characterisation table, and the other way round. That is a genuinely useful option – and a dangerous temptation.

It is useful when the system behaves differently after commissioning than it did on paper, and exchanging the plug would be disproportionate. It is also the right tool when one valve has to serve several operating modes.

It becomes dangerous when it masks a wrongly sized valve. Characterisation changes nothing about the mechanical resolution of the actuator, nothing about velocity in the seat and nothing about the tendency to cavitate. A valve working at fifteen per cent travel still works at fifteen per cent travel afterwards – only the display in the control room looks better. If you find such a correction in an existing plant, it is worth looking at the sizing sheet: the real answer is often there.

Frequently asked questions

Can the characteristic of an existing valve be changed?

In most cases, yes. On globe valves the plug is exchanged, on cage-guided valves the cage trim. Both assume the series offers suitable trim and that the valve is accessible. The work itself is manageable; the shutdown usually is not – which is why the decision belongs in the design phase rather than in commissioning. Our service department carries out the conversion and the subsequent positioner setup on site.

Which characteristic do I need for steam?

That cannot be answered by the medium, only by the pressure conditions. In steam applications with a high pressure drop and critical flow, authority is often high and linear is defensible. As soon as a conditioning station with spray water injection and a downstream restriction sits behind the valve, the picture shifts clearly towards equal percentage.

What about on/off duties?

There the characteristic is irrelevant, because only two positions are used. What matters is stroking time, seat leakage class and whether the valve must open or close on failure. Safety-related shut-off has its own designs in any case – see our safety and quick-closing valves.

Where do I get the figures for the authority calculation?

From the plant diagram and the planner’s pressure loss calculation. If they are missing, they can be measured in service: differential pressure across the valve at a known flow rate, once at low and once at high load. Two measuring points are enough for a sound estimate.

Conclusion

Choosing between linear and equal percentage is not a matter of preference, nor is it a matter of the medium. It follows from valve authority, and authority follows from the system. Determine the authority at the design point, check the smallest expected load case against rangeability as well, and only then select the characteristic. A valve of the right size with a suitable characteristic controls quietly for years. An oversized valve with a corrected characteristic will keep you busy indefinitely.

If you are unsure about a specific sizing, we will work through it with you – using the brands we represent in Austria, and with an eye on what can realistically be exchanged in an existing installation.