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Regler mit elastischer Rückführung.
Regler mit elastischen Rückführungen von verschiedener Bauart sind an sich bekannt. Die mit den bisher bekannten Rückführungen gemachten Erfahrungen haben ergeben, dass man in manchen Fällen die Charakteristik der Rückführung nicht ausreichend der Charakteristik des Regelvorganges anpassen kann. Als Beispiel sei auf die bisher bekannten elastischen Rüekführungen bei Temperaturreglern für Ofen od. dgl. hingewiesen. Bei diesen Reglern dauert es bekanntlich je nach den Betriebsverhältnissen eine längere oder kürzere Zeit, bis sich die durch eine Impulsgabe des Reglers bewirkte Änderung der Zufuhr der Heizenergie im Ofen ausgewirkt hat, d. h. bis die im Ofen befindlichen Stoffe die der veränderten Heizenergiezufuhr entsprechende veränderte Temperatur angenommen haben.
Mathematisch betrachtet stellt die Charakteristik des Regelvorganges eines solchen Temperaturreglers eine Exponentialfunktion dar. Es war nun mit den bisher bekannten elastischen Rüekführungen ausserordentlich schwierig, eine derartige, nach einer Exponentialfunktion verlaufende Regelcharakteristik zu berücksichtigen, insbesondere die in der Praxis unerwünschten ständigen Schwankungen um den gewünschten Regelsollwert in verhältnismässig kurzer Zeit durch entsprechende Einstellung der Rücklaufcharakteristik unmöglich zu machen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Regler mit elastischer Rückführung, insbesondere zur Regelung des physikalischen Zustandes eines gasförmigen, dampfförmigen oder festen Mediums, in betriebssicherer Weise mit verhältnismässig einfachen Mitteln. Gemäss der Erfindung wird die Charakteristik des Regelvorganges durch die Charakteristik einer thermischen Rückführung nachgebildet, die in Übereinstimmung mit den Impulsgaben des Reglers beheizt wird. Die Vorteile des neuen Reglers sind besonders deutlich erkennbar, wenn man seine Anwendung für das obenerwähnte Beispiel der Temperaturregelung eines Ofens betrachtet.
In diesem Beispiel ist es möglich, die beheizten Teile der thermischen Rückführung des neuen Reglers gewissermassen als thermisches Abbild des Ofens aus-
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zu schaffen, den Betriebsverhältnissen des Ofens durch entsprechende Ausbildung der thermischen Rückführung in vollem Umfange Rechnung zu tragen.
Man kann die Übereinstimmung der Beheizung der thermischen Rückführung mit den Impulsgaben des Reglers bei der neuen Einrichtung vorteilhaft dadurch verwirklichen, dass die Zeitdauer der Beheizung der thermischen Rückführung von der Abweichung des Impulsgebers vom Regelsollwert abhängig gemacht ist. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass an den zur Beheizung der Rückführung dienenden Widerständen ein zusätzlicher temperaturempfindlicher Widerstand oder ein Thermoelement angeordnet wird und dieser zusätzliche Widerstand oder das Thermoelement zur Beeinflussung des Nullpunktes des Impulsgebers dient.
Weiterhin können zur genauen Anpassung der Rücklaufcharakteristik der thermischen Rückführung sowohl die der thermischen Rückführung zugeführte Heizenergie als auch deren Abkühlungsgeschwindigkeit wahlweise einstellbar sein, zweckmässig von Hand. Die Einstellung der der thermischen Rückführung zugeführten Heizenergie kann insbesondere mit Hilfe von regelbaren Widerständen erfolgen, die an die über die Regelkontakte des Impulsgebers geführten Heizstromkreise
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für die thermische Rückführung an geschlossen sind. Zur wahlweisen Einstellung der Abkühlungsgeschwindigkeit der beheizten Teile der thermischen Rückführung empfiehlt es sich, einen den Wärmeaustausch dieser Teile mit der Umgebung erschwerende Schirm od. dgl. verstellbar anzuordnen.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Gesamtbild einer ersten Ausführungsform, deren Arbeiten durch. das Kurvenbild nach Fig. 2 erläutert wird. Fig. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung, von der ein Teil in Fig. 4 näher dargestellt ist.
Eine dritte, besonders einfache Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 veranschaulicht.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einer Gas-oder Dampfentladungsröhre (Stromtor) dargestellt.
Nach Fig. 1 ist ein elektrischer Temperaturregler als Beispiel gewählt, der die Temperatur eines Ofens 1 auf einem bestimmten vorgeschriebenen Sollwert hält. Zu diesem Zweck ist in den Ofen 1 ein Wiederstandsthermometer 2 eingebaut, das in einem Zweig einer Brückenschaltung 3 liegt. Das als Impulsgeber dienende Brückengalvanometer 4 ist mit einem Fallbügel 5 ausgerüstet, der durch einen Kurvenscheibenantrieb 7 intermittierend gehoben und gesenkt wird. Weicht der Zeiger 6 des Galvanometers 4 von den durch die Lücke 8 zwischen zwei treppenförmig abgestuften Kontaktstücken 9 und 10 nach links oder rechts ab, so wird er durch den Fallbügel 5 auf eine der Stufen des Kontaktstückes 9 oder 10 gedrückt, so dass das betreffende Kontaktstück den zugehörigen Regelkontakt 11 oder 12 schliesst.
Durch die Regelkontakte 11 und 12 wird ein Verstellmotor 13 für Rechts-oder Linkslauf eingeschaltet, der ein in der Brennstoffzuführungsleitung zum Ofen 1 liegendes Ventil 14 je nach dem Umlaufsinn entweder öffnet oder schliesst.
Die bisher beschriebene, an sich bekannte Einrichtung berücksichtigt nicht die Verzögerung in dem Temperaturverlauf im Ofen 1, die einerseits von dessen mehr oder weniger grossen Wärmeträgheit und anderseits davon abhängt, dass eine Erhöhung oder Verminderung der Brennstoffzufuhr durch Verstellung des Ventils 14 sich erst nach einer gewissen Zeit als Temperaturänderung im Ofen auswirkt.
Um diese Verzögerung für die Regelung zu erfassen, ist die im folgenden beschriebene elastische Rückführung vorgesehen :
In die Brückenschaltung 3 ist noch ein zusätzlicher potentiometrischer Regelwiderstand 15 eingeschaltet, der in dem Beispiel in ein etwa zur Hälfte mit Quecksilber gefülltes U-Rohr 16 eingebaut ist. Die beiden Enden des Widerstandsdrahtes 17 sind mit zwei Brückenzweigwiderständen verbunden, während die Mitte des Widerstandsdrahtes mittels einer Zuleitung 18 an das Galvanometer 4 angeschlossen ist. Nach oben hin stehen die beiden Schenkel des U-Rohres 16 mit zwei gasgefüllten Räumen 19 und 20 in Verbindung. In die beiden Gasräume 19 und 20 ist je ein Heizwiderstand 21 und 22 eingebaut, deren Heizstromkreis über die Regelkontakte 11, 12 am Impulsgeber 5,6 geführt ist.
In den Stromkreisen der beiden Heizwiderstände 21 und 22 sind regelbare Widerstände 23 und 24 zur Einstellung der Heiz- stromstärken vorgesehen. Ausserdem ist zwischen den beiden Gasräumen 19 und 20 noch ein keilförmiger Schirm 25 mehr oder weniger weit einschiebbar, der je nach seiner Stellung den Wärmeaustausch zwischen den Kammern mehr oder weniger erschwert.
Die dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt : Die Kontaktstücke 9 und 10 mit den Regelkontakten 11 und 12 werden auf den jeweils gewünschten Sollwert eingestellt. Diesem Sollwert entspricht eine bestimmte Stellung des Ventils 14. Tritt nun eine Temperaturänderung im Ofen 1 auf, z. B. eine Temperaturerniedrigung, so macht der Zeiger 6 einen Ausschlag, dessen Grösse von dem Ausmass der Temperaturerniedrigung abhängt. Er wird beispielsweise über der zweiten Stufe des Kontaktstückes 10 zu stehen kommen. Beim nächstfolgenden Abwärtsgehen des Fallbügels 5 wird der Zeiger 6 dann auf die zweite Stufe des Kontaktstückes 10 niedergedrückt und dabei der Regelkontakt 12 geschlossen.
Infolgedessen wird einerseits der Regelmotor 13 in solchem Umlaufsinne eingeschaltet, dass er in dem Beispiel das Ventil 14 öffnet, und anderseits wird der Stromkreis für den Heizwiderstand 21 geschlossen. Die Zeitdauer der Einschaltung des Motors 13 und des Heizwiderstandes 21 hängt von der Grösse des Zeigerausschlages ab. Sie kann z. B. zwischen 2 und 10 Sekunden betragen. Infolge der Öffnung des Ventils 14 wird mehr Brennstoff als vorher zur Beheizung des Ofens 1 verwendet und ausserdem wird sich das Gas in dem Raum 19 ausdehnen, und damit wird die Quecksilbersäule in dem U-Rohr 16 im linken Schenkel sinken und im rechten Schenkel steigen. Durch die Verschiebung der Quecksilbersäule wird, wie ersichtlich, der Nullpunkt des Galvanometers 4, d. h. die Stellung, in welcher der Galvanometerzeiger 6 über der Lücke spielt, geändert.
Geht der Fallbügel 5 wieder nach oben, so wird der Regelkontakt 12 unterbrochen und damit einerseits der Verstellmotor 13 stillgesetzt und anderseits der Heizwiderstand 21 abgeschaltet. Der Gasraum 19 wird sich infolgedessen durch Wärmeaustausch mit seiner Umgebung, insbesondere mit dem benachbarten Gasraum 20, wieder abkühlen. Die Abkühlungsgesehwindigkeit hängt im wesentlichen ab von der Stellung des Schirmes 25. Diese Abkühlung des Raumes 19 hat ein Rückgehen der Quecksilbersäule im U-Rohr 16 zur Folge, wodurch wiederum ein Rüekgängigmachen der Nullpunktverschiebung des Galvanometers 4 bedingt ist.
Die Rücklaufbewegung des Quecksilbers bis zum Erreichen der gezeichneten Stellung verläuft nun, zeitlich betrachtet, nach einer Exponentialfunktion, also nach einer Kurve, die mit der Temperaturänderung im Ofen 1
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bei Änderung der Brennstoffzufuhr übereinstimmt.
Da somit zwischen dem Erwärmungsvorgang im Ofen und der Abkühlung in den Gasräumen 19 und 20 die gleiche Gesetzmässigkeit vorliegt und sich mittels des Schirmes 25 sowie gegebenenfalls auch mittels der Regelwiderstände 23 und 24 noch feinregulieren lässt, so ist ersichtlich, dass damit das Arbeiten des Reglers den Betriebsverhältnissen in einfacher Weise gut angepasst werden kann, Dies hat zur Folge, dass der Regler nur dann anspricht, wenn es wirklich notwendig ist, und ferner die Steuergrösse-unabhängig von der Verzögerung-der Temperaturänderung proportional ist, was zur Folge hat, dass der gewünschte Sollwert der Temperatur im Ofen durchaus pendelfrei innegehalten wird.
Zur Erläuterung des Arbeitens der Rückführeinrichtung 15-25 dient Fig. 2. In dieser ist auf der Ordinatenachse nach unten und nach oben hin der Widerstandswert der in den beiden Schenkeln des U-Rohres 16 liegenden Hälften des Drahtes 17 aufgetragen. Auf der Ordinatenachse sind die Zeiten z. B. in Minuten aufgetragen. Die Kurven a und b stellen die Charakteristik der Rückführung für verschiedene Kontaktzeiten dar, wenn der eine Heizwiderstand, z. B. 21, eingeschaltet war, und die Kurven è und d die Charakteristik der Rückführung für zwei andere Kontaktzeichen bei Einschaltung der Heizvorrichtung 22. Die Kurven a und b können z. B. Kontaktgaben des Regelkontaktes 12 für vier und für zehn Sekunden und die Kurven c und d Kontaktgaben des Regelkontaktes 11 von zwei und von acht Sekunden entsprechen.
Wie ersichtlich, verlaufen sämtliche vier Kurven entsprechend einer Exponentialfunktion. Der Schnittpunkt der Kurven mit der Abszissenachse bedeutet den Augenblick, in welchem die von der Rückführungsvorrichtung bewirkte Nullpunktsänderung des Galvanometers 4 gerade wieder rückgängig gemacht ist.
Das Ausführungbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, dass statt des in einem Quecksilber- U-Rohr 16 befindlichen Widerstandsdrahtes 17 zwei temperaturempfindliche Widerstände 26 und 27 in die Brückenschaltung 3 eingeschaltet sind. Die beiden temperaturempfindlichen Widerstände 26 und 27 sind in diesem Falle je von einer Heizwiek- lung 29 bzw. 28 umgeben, wie aus Fig. 4 näher ersichtlich ist. Über jeden der Widerstände 26 und 27 kann ein Rohr 30, das nach einem Ende hin keilförmig zugespitzt ist, mehr oder weniger hinweggeschoben werden. Dadurch lässt sich die Abkühlungsgeschwindigkeit des temperaturempfindlichen Widerstandes 26 und 27 einstellen.
Durch die temperaturempfindlichen Widerstände 26 und 27 wird bei der intermittierenden Einschaltung ihrer Heizwicklungen 28 oder 29 wiederum eine Nullpunktsverschiebung des in den Diagonalzweig der Brückenschaltung eingeschalteten Galvanometers hervorgerufen, und diese Nullpunktsverschiebung wird durch die Rüekführungsvorrichtung wieder rückgängig gemacht. Man kann gewünschtenfalls auch jeden der beiden temperaturempfindlichen Widerstände 26 und 27 mit seiner Heizwicklung 29, 28 in Form von Drähten zu zwei Spulen wickeln und diese Spulen in einem mit Wasserstoff gefüllten Raum anordnen, z. B. einer Glasbirne.
Ausser der Einfachheit des Aufbaues und der Möglichkeit der Einstellung weitgehend beliebiger Charakteristiken für die Rückführungsvorrichtung weist diese auch noch den Vorteil auf, dass ihr Arbeiten praktisch von der Aussentemperatur unabhängig ist imGegensatz zu denbekannten Rückführungen mit Oldämpfungen u. dgl., die eine oft recht störende Temperaturabhängigkeit der Rücklaufzeit aufweisen.
Die Einstellung verschiedener Rücklaufgeschwindigkeiten mittels der Teile 25, Fig. 1 und 30, Fig. 3, ist im allgemeinen nur notwendig, wenn das Objekt der Regelung, in den Beispielen das in den Ofen eingebrachte Gut, geändert wird, sei es, dass man andere Materialien oder verschieden grosse Mengen ein und desselben Materials im Ofen behandeln will.
Die neue Einrichtung kann auch'Anwendung finden für solche Regler, die mit gas-oder dampfgefüllten Ionenröhren, sogenannten Stromtoren, arbeiten. In diesem Falle wird zweckmässig das Gitter des Stromtores sowohl durch den Impulsgeber als auch durch die Rückführung beeinflusst.
Die Erfindung ist nicht auf elektrisch arbeitende Regler beschränkt, sondern kann sinngemäss auch für andere Regler Anwendung finden. Dient als Impulsgeber z. B. ein Ausdehnungskörper, etwa ein Stab, der einen Regelkontakt schliesst, so kann man als Rüekführungsvorrichtung einen zweiten mit einer zusätzlichen, vom Regelkontakt aus gesteuerten Beheizung versehenen Stab in der Weise anordnen, dass der zweite Stab die Kontaktgabe in entgegengesetztem Sinne beeinflusst.
Besonders einfach gestaltet sich die Anwendung des Erfindungsgedankens bei Reglern mit mechanischen Messsystemen. Ein Beispiel dieser Art ist in Fig. 5 veranschaulicht.
An eine Rohrleitung 30', durch welche irgendein gas-oder dampfförmiges oder flüssiges Medium strömt, ist ein Druckmesser 31 einseitig angeschlossen. Der Druckmesser 31 ist mittels einer Stange 32 mit dem Kontaktarm 33 gekuppelt. Der Kontaktarm 33 und seine Gegenkontakte 34 und 35 sind in die Erregerstromkreise der Feldwicklungen 36 und 37 für Rechts-oder Linkslauf eines Regelmotors 38 eingeschaltet, der über Kegelräder 39 ein Hubventil 40 in der Rohrleitung 30 je nach seinem Umlaufsinn mehr oder weniger öffnet oder schliesst.
Die bisher beschriebene Ausführung eines Reglers arbeitet in der Weise, dass bei etwaigen Druck- änderungen in der Rohrleitung 30'der Druckmesser 31 den Kontaktarm 33 entweder nach rechts oder nach links verstellt, je nachdem, ob der Druck in der Rohrleitung gegenüber dem Regelsollwert zu-oder abnimmt. Durch die Verstellung des Kontaktarmes 33 wird entweder der Kontakt 34 oder der Kontakt 35
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von dem Kontaktarm berührt und damit die Erregerwicklung 36 oder 37 des Motors 38 mit Strom gespeist. Der Motor 38 verstellt dann das Ventil 40 im Sinne der Rückgängigmachung der Druckänderung.
Um nun bei dieser an sich bekannten Ausführung eines Reglers die Erfindung anzuwenden, ist die thermische Rückführung mit dem Kontaktarm 33 unmittelbar gekuppelt. Der Aufbau der thermischen Rückführung ist wie folgt :
Mittels Leitungen 42 und 43 sind an die Kontakte 34 und 35 zwei Heizwicklungen 44 und 45 angeschlossen, welche die thermische Rückführung beheizen. In dem Beispiel ist als wesentlicher Teil der thermischen Rückführung ein zylindrisches Wellrohr 46 vorgesehen, dessen Öffnungen mittels durch Verschraubungen 47, 48 miteinander gekuppelter Platten 49 und 50 abgedeckt sind. An den Platten 49 und 50 sind die Ränder des Wellrohres 46 befestigt. Im Inneren des Wellrohres 46 befindet sich eine Trennwand 51, die mit dem Kontakthebel 33 gelenkig gekuppelt ist.
Ausserdem befindet sich in den beiden durch die Trennwand 51 gebildeten Räumen eine geringe Menge eines leicht verdampfenden Stoffes 52.
Die Wirkungsweise der dargestellten thermischen Rückführung ist wie folgt : Findet durch den Druckmesser 31 z. B. eine Betätigung des Kontaktes 33,35 statt, so wird über die Leitung 43 die Heizwicklung 45 mit Strom gespeist. Sie erwärmt den Raum, in dem sie sich befindet, und infolge Verdampfung eines Teiles des Stoffes 52 ändert sich der Dampfdruck in diesem Raum gegenüber dem Dampfdruck in dem Raum der Heizwicklung 44. Diese Druckdifferenz hat eine Verschiebung der Trennwand 51 zur Folge und damit eine Verstellung des Kontaktarmes 33 im Sinne der Unterbrechung des Kontaktes 33, 35.
Entsprechend liegen die Verhältnisse, wenn eine Kontaktgabe bei 33,34 und dementsprechend eine Beheizung durch die in diesem Falle eingeschaltete Heizwicklung 44 stattfindet. Nur ist dann die Verstellrichtung des Kontaktarmes 33 umgekehrt wie vorher, so dass eine Unterbrechung des Kontaktes 33, 34 stattfindet.
Mit Hilfe der Regelwiderstände 23, 24 in den Leitungen 42, 43 hat man es in der Hand, die Heizstromstärke in den Wicklungen 44 und 45 auf den jeweils gewünschten Wert einzustellen und damit zugleich die Rüeklaufzeit der thermischen Rückführung und die Grösse der Rüekführbewegung den Betriebsverhältnissen entsprechend einzustellen.
Als weiteres Mittel zur Einstellung der gewünschten Rücklaufcharakteristik ist noch eine Verbindungsleitung 53 zwischen den beiden durch die Trennwand 51 gebildeten Räumen vorgesehen, deren wirksamer Querschnitt durch Betätigung eines Drosselorgans 54 wahlweise eingestellt werden kann.
Als leicht verdampfbaren Stoff 52 kann man beispielsweise irgendeine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt verwenden. An Stelle des mechanischen Druckmessers 31 können auch andere mechanische Messsysteme, wie Temperaturmesser, Mengenmesser, Spannungsmesser usw., vorgesehen sein. Weiterhin ist es auch möglich, die thermische Rückführung nicht mit dem Kontaktarm 33, sondern mit den beiden Gegenkontakten 34 und 35 zu kuppeln. In diesem Falle sind die beiden Gegenkontakte 34 und : 35 auf einer drehbar gelagerten Platte anzuordnen, die mit der Trennwand 46 mechanisch gekuppelt ist.
Die Schaltung der Heizwicklungen 44 und 45 hat wiederum so zu erfolgen, dass durch entsprechende Verstellung der Gegenkontakte 34 und 35 die durch den mechanischen Messer 31 hervorgerufene Kontaktgabe bei 33, 34 oder 33, 35 wieder aufgehoben wird.
Schliesslich ist es auch möglich, statt der Kontaktanordnung 33, 34, 35 irgendwelche andern an sich bekannten Teile, beispielsweise Bolometer, Photozellen od. dgl., zu verwenden. Bei einer derartigen Ausführung ist an Stelle des am Kontaktarm 33 befindlichen Kontaktes ein Abdeckplättchen anzuordnen, das sich zwischen einer Druckmittelströmung oder einer Strahlung und den Bolometerwiderständen oder einer Photozellenanordnung befindet.
Die Vorteile der neuen Einrichtung lassen sich auch für solche Regler gut nutzbar machen, bei denen kein Kontaktinstrument vorhanden ist. Durch das Fehlen jedweder Kontakte wird naturgemäss der Aufbau der neuen Einrichtung nicht unerheblich vereinfacht und ausserdem ihre Betriebssicherheit erhöht. Ein Beispiel dieser Art, bei welchem eine Gas-oder Dampfentladungsröhre (Stromtor) zur Anwendung kommt, ist in der Fig. 6 veranschaulicht.
An die Klemmen 60 ist eine Wechselspannung angelegt, die mit Hilfe eines Kondensators 61 und eines Ohmschen Widerstandes 62 an das Hilfsgitter 63 einer Gas- oder Dampfentladungsröhre 64 (Strom- tor) angeschlossen ist. Durch passende Einstellung der Teile 61 und 62 lässt sich erreichen, dass in der Röhre 64 ständig ein Strom zwischen der Kathode 65 und der Anode 66 fliesst. Dieser Strom durchfliesst in dem dargestellten Beispiel die Wicklung 67 eines elektrisch beheizten Ofens 68. Die Ofentemperatur wird überwacht mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes 69, der über eine Brückenschaltung 70 mit Hilfe eines Transformators 71 mit dem Steuergitter 72 der Röhre 64 in Verbindung steht.
Im Sinne der Erfindung ist nun die thermische Rückführung ebenfalls an das Steuergitter 72 angelegt. Zu diesem Zweck sind zwei weitere temperaturabhängige Widerstände 73 und 74 in zwei benachbarte Zweige der Wheatstoneschen Brückenschaltung 70 eingeschaltet. Die beiden Widerstände 73 und 74 haben verschiedene Warmeträgheit und sind zu beiden Seiten ihrer gemeinsamen Heizwieklung 75 in einen Behälter 76 eingebaut, der ein verkleinertes, thermisches Abbild des Ofens 68 darstellt. Die verschiedene Wärmeträgheit der Widerstände 73 und 74 lässt sich entweder dadurch erreichen, dass man beide Widerstände in verschiedener Form, z. B. den einen als geraden Draht und den andern als Spiral-
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draht, anordnet oder dass man, wie dargestellt, zwischen der Heizwicklung 75 und dem einen Widerstand, z.
B. 73, einen Abdeckschirm 77 anordnet. Parallel zu der ständig in dem Anodenkreis der Röhre 64 liegenden Heizwicklung 75 ist noch ein Regelwiderstand 78 vorgesehen, der zur Einstellung der gewünschten Empfindlichkeit dient.
Die Wirkungsweise des dargestellten Reglers ist wie folgt : Der die Röhre 64 und die Ofenwicklung 67 durehfliessende Strom wird mit Hilfe des Kondensators 61 und des Widerstandes 62 so eingestellt, dass im Ofen 68 sich die gewünschte Normaltemperatur (Regelsollwert) einstellt.
Ändert sich die Ofentemperatur nun nach oben oder nach unten, so ändert sich gleichzeitig auch der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 69 und damit der im Diagonalzweig der Brückenschaltung 70 fliessende Strom. Zufolge dieser Stromänderung wird über die induktive Kopplung 71 eine Änderung des Potentials des Steuergitter 72 bewirkt, die ihrerseits eine Änderung des die Röhre 64 und die Ofenwicklung 67 durchfliessenden Stromes zur Folge hat. Die Änderung des Stromes in der Ofenwieklung 67 erfolgt in solchem Sinne, dass die Abweichung vom Regelsollwert dadurch wieder rückgängig gemacht wird.
Um nun zu verhüten, dass bei der bisher betrachteten Regelung ein Überregeln oder ein Pendeln um den gewünschten Regelsollwert eintritt, wird bei jeder Abweichung vom Regelsollwert auch der Strom der mit der Ofenwicklung 67 in Reihe liegenden Heizwicklung 75 der thermischen Rückführung sich ändern. Diese Änderung der Stromstärke in der Heizwicklung 75 der thermischen Rückführung wirkt sich zunächst als unterschiedliche Beheizung der Widerstände 73 und 74 aus. Steigt beispielsweise der Strom in der Wicklung 75, so wird für einige Zeit der Widerstand 74 stärker beheizt als der Widerstand 73.
Infolgedessen wirkt in der Brückenschaltung 70 für einige Zeit die Differenz zwischen den beiden Widerständen 73 und 74, was zur Folge hat, dass die Beeinflussung des Potentials des Steuergitter 72 und der Röhre 64 durch den Widerstand 69 sich nicht sofort ausgleichen kann. Erst nach einiger Zeit wird der Widerstand 73 der thermischen Rückführung die gleiche Temperatur annehmen wie der Widerstand 74 und damit die Beeinflussung des Potentials des Gitters 72 durch die temperaturabhängigen Widerstände 73 und 74 bis zum Eintreten der nächsten Änderung der Ofentemperatur aufhören.
Die dargestellte Einrichtung eignet sich besonders für solche Fälle, wo die betriebsmässigen Änderungen des physikalischen Zustandes eines Mediums, in dem Beispiel der Gasfüllung des Ofens, betriebsmässig nur langsam verlaufen, wie dies für die Temperatur in elektrischen Ofen vielfach der Fall ist.
Durch die neue Ausbildung des Reglers wird der Vorteil erreicht, dass bei derartigen Betriebsverhältnissen in betriebssicherer Weise ohne Überregeln oder gar Pendeln um den Regelsollwert dieser mit verhältnismässig hoher Genauigkeit selbsttätig aufrechterhalten bleibt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Regler, insbesondere für die Regelung des physikalischen Zustandes eines Mediums, mit elastischer Rückführung, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik des Regelvorganges durch die Charakteristik einer thermischen Rückführung nachgebildet wird, die in Übereinstimmung mit den Impulsgaben des Reglers beheizt wird.
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Elastic feedback regulator.
Various types of elastic feedback regulators are known per se. The experience made with the previously known feedbacks has shown that in some cases the characteristics of the feedback cannot be adequately adapted to the characteristics of the control process. As an example, reference is made to the previously known elastic returns in temperature regulators for ovens. The like. With these regulators it is known to take a longer or shorter time, depending on the operating conditions, until the change in the supply of heating energy in the furnace caused by an impulse from the regulator has taken effect; H. until the substances in the furnace have assumed the changed temperature corresponding to the changed heating energy supply.
From a mathematical point of view, the characteristic of the control process of such a temperature controller represents an exponential function. With the elastic feedback systems known up to now, it was extremely difficult to take into account such a control characteristic running according to an exponential function, in particular the constant fluctuations around the desired control setpoint, which are undesirable in practice to make it impossible for a relatively short time by setting the return characteristic accordingly.
The invention solves this problem with a regulator with elastic feedback, in particular for regulating the physical state of a gaseous, vaporous or solid medium, in an operationally reliable manner with relatively simple means. According to the invention, the characteristic of the control process is simulated by the characteristic of a thermal feedback that is heated in accordance with the impulses of the controller. The advantages of the new controller can be seen particularly clearly when one considers its application for the above-mentioned example of temperature control of a furnace.
In this example it is possible to use the heated parts of the thermal feedback of the new controller as a thermal image of the furnace.
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to ensure that the operating conditions of the furnace are fully taken into account by appropriate design of the thermal feedback.
The coincidence of the heating of the thermal feedback with the impulses of the controller in the new device can advantageously be achieved by making the duration of the heating of the thermal feedback dependent on the deviation of the pulse generator from the control setpoint. This can e.g. B. happen that an additional temperature-sensitive resistor or a thermocouple is arranged on the resistors used to heat the feedback and this additional resistor or the thermocouple is used to influence the zero point of the pulse generator.
Furthermore, for the exact adaptation of the return characteristics of the thermal return, both the heating energy supplied to the thermal return and its cooling rate can optionally be set, expediently by hand. The adjustment of the heating energy supplied to the thermal feedback can in particular take place with the aid of controllable resistors which are connected to the heating circuits routed via the control contacts of the pulse generator
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for the thermal feedback are closed. For the optional setting of the cooling rate of the heated parts of the thermal recirculation, it is advisable to arrange an adjustable screen or the like that makes the heat exchange of these parts with the environment more difficult.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 shows a schematic overall picture of a first embodiment, the work by. the graph of Fig. 2 is explained. FIG. 3 illustrates a second embodiment of the invention, part of which is shown in more detail in FIG.
A third, particularly simple embodiment of the invention is illustrated in FIG.
6 shows a further exemplary embodiment of the invention in connection with a gas or vapor discharge tube (current gate).
According to Fig. 1, an electrical temperature controller is chosen as an example, which keeps the temperature of a furnace 1 at a certain prescribed setpoint. For this purpose, a resistance thermometer 2 is built into the furnace 1, which is located in a branch of a bridge circuit 3. The bridge galvanometer 4 serving as a pulse generator is equipped with a drop bracket 5 which is raised and lowered intermittently by a cam disk drive 7. If the pointer 6 of the galvanometer 4 deviates to the left or right from the gap 8 between two stepped contact pieces 9 and 10, it is pressed by the drop bracket 5 onto one of the steps of the contact piece 9 or 10, so that the contact piece in question the associated control contact 11 or 12 closes.
By means of the control contacts 11 and 12, an adjusting motor 13 for clockwise or counterclockwise rotation is switched on, which either opens or closes a valve 14 located in the fuel supply line to the furnace 1, depending on the direction of rotation.
The previously described, known device does not take into account the delay in the temperature profile in the furnace 1, which depends on the one hand on its more or less great thermal inertia and on the other hand on the fact that an increase or decrease in the fuel supply by adjusting the valve 14 is only after a certain Time as a temperature change in the oven.
In order to record this delay for the control, the elastic feedback described below is provided:
An additional potentiometric control resistor 15 is switched on in the bridge circuit 3, which in the example is built into a U-tube 16 that is about half filled with mercury. The two ends of the resistance wire 17 are connected to two bridge arm resistors, while the middle of the resistance wire is connected to the galvanometer 4 by means of a lead 18. At the top, the two legs of the U-tube 16 are connected to two gas-filled spaces 19 and 20. A heating resistor 21 and 22 is installed in each of the two gas spaces 19 and 20, the heating circuit of which is routed via the control contacts 11, 12 on the pulse generator 5, 6.
In the circuits of the two heating resistors 21 and 22, controllable resistors 23 and 24 are provided for setting the heating currents. In addition, a wedge-shaped screen 25 can be pushed in more or less far between the two gas spaces 19 and 20, which, depending on its position, makes the heat exchange between the chambers more or less difficult.
The device shown works as follows: The contact pieces 9 and 10 with the control contacts 11 and 12 are set to the desired setpoint. A certain position of the valve 14 corresponds to this setpoint value. If a temperature change occurs in the furnace 1, e.g. B. a temperature decrease, the pointer 6 makes a deflection, the size of which depends on the extent of the temperature decrease. It will come to stand above the second step of the contact piece 10, for example. When the drop bracket 5 descends next, the pointer 6 is then pressed down onto the second step of the contact piece 10 and the control contact 12 is closed in the process.
As a result, on the one hand the control motor 13 is switched on in such a direction that it opens the valve 14 in the example, and on the other hand the circuit for the heating resistor 21 is closed. The time it takes to switch on the motor 13 and the heating resistor 21 depends on the size of the pointer deflection. You can z. B. be between 2 and 10 seconds. As a result of the opening of the valve 14, more fuel than before is used to heat the furnace 1 and, in addition, the gas in the space 19 will expand, and thus the mercury column in the U-tube 16 will decrease in the left leg and rise in the right leg. As can be seen, the displacement of the mercury column causes the zero point of the galvanometer 4, i.e. H. the position in which the galvanometer pointer 6 plays over the gap is changed.
If the drop bracket 5 goes up again, the control contact 12 is interrupted and, on the one hand, the adjusting motor 13 is stopped and, on the other hand, the heating resistor 21 is switched off. The gas space 19 will consequently cool down again through heat exchange with its surroundings, in particular with the adjacent gas space 20. The cooling rate depends essentially on the position of the screen 25. This cooling of the space 19 results in a decrease in the mercury column in the U-tube 16, which in turn causes the zero shift of the galvanometer 4 to be undone.
The return movement of the mercury until it reaches the position shown now runs, viewed over time, according to an exponential function, i.e. according to a curve that corresponds to the temperature change in furnace 1
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when changing the fuel supply.
Since the same regularity exists between the heating process in the furnace and the cooling in the gas spaces 19 and 20 and can still be fine-tuned by means of the screen 25 and, if necessary, also by means of the control resistors 23 and 24, it can be seen that the work of the controller is thus the Operating conditions can be adapted well in a simple manner. This has the consequence that the controller only responds when it is really necessary, and furthermore the control variable - regardless of the delay - is proportional to the temperature change, which has the consequence that the desired The setpoint of the temperature in the furnace is kept pendulum-free.
2 serves to explain the operation of the return device 15-25. In this, the resistance value of the halves of the wire 17 lying in the two legs of the U-tube 16 is plotted on the ordinate axis downwards and upwards. On the ordinate axis, the times are z. B. applied in minutes. Curves a and b represent the characteristics of the return for different contact times when the one heating resistor, e.g. B. 21, was switched on, and the curves è and d the characteristics of the return for two other contact characters when switching on the heating device 22. The curves a and b can, for. B. contacts of the control contact 12 for four and ten seconds and curves c and d correspond to contacts of the control contact 11 of two and eight seconds.
As can be seen, all four curves run according to an exponential function. The point of intersection of the curves with the abscissa axis means the moment at which the change in the zero point of the galvanometer 4 caused by the feedback device has just been reversed.
The exemplary embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 1 essentially only in that instead of the resistance wire 17 located in a mercury U-tube 16, two temperature-sensitive resistors 26 and 27 are connected to the bridge circuit 3. The two temperature-sensitive resistors 26 and 27 are in this case each surrounded by a heating curve 29 and 28, as can be seen in more detail in FIG. Over each of the resistors 26 and 27, a tube 30, which is tapered towards one end, can be pushed more or less away. This allows the cooling rate of the temperature-sensitive resistor 26 and 27 to be adjusted.
When their heating windings 28 or 29 are intermittently switched on, the temperature-sensitive resistors 26 and 27 again cause a zero point shift of the galvanometer connected to the diagonal branch of the bridge circuit, and this zero point shift is reversed again by the feedback device. If desired, each of the two temperature-sensitive resistors 26 and 27 with its heating coil 29, 28 in the form of wires can be wound into two coils and these coils can be arranged in a space filled with hydrogen, e.g. B. a glass bulb.
In addition to the simplicity of the construction and the possibility of setting largely any characteristics for the recirculation device, this also has the advantage that its operation is practically independent of the outside temperature, in contrast to the known recirculations with oil damping and the like. Like., which often have a very disturbing temperature dependence of the return time.
The setting of different return speeds by means of parts 25, FIGS. 1 and 30, FIG. 3, is generally only necessary if the object of the regulation, in the examples the material brought into the furnace, is changed, be it by different Wants to treat materials or different amounts of one and the same material in the oven.
The new device can also be used for regulators that work with gas or vapor-filled ion tubes, so-called current gates. In this case, the grid of the power gate is expediently influenced by both the pulse generator and the feedback.
The invention is not restricted to electrically operating regulators, but can also be used analogously for other regulators. Serves as a pulse generator z. B. an expansion body, such as a rod that closes a control contact, you can arrange a second rod with an additional heating controlled by the control contact as a return device in such a way that the second rod influences the contact in the opposite direction.
The application of the inventive concept is particularly simple for regulators with mechanical measuring systems. An example of this type is illustrated in FIG.
A pressure gauge 31 is connected on one side to a pipe 30 ′ through which any gas, vapor or liquid medium flows. The pressure gauge 31 is coupled to the contact arm 33 by means of a rod 32. The contact arm 33 and its mating contacts 34 and 35 are connected to the excitation circuits of the field windings 36 and 37 for clockwise or counterclockwise rotation of a control motor 38, which more or less opens or closes a lift valve 40 in the pipeline 30 via bevel gears 39 depending on its direction of rotation.
The design of a regulator described so far works in such a way that, in the event of any pressure changes in the pipeline 30 ', the pressure gauge 31 adjusts the contact arm 33 either to the right or to the left, depending on whether the pressure in the pipeline increases with respect to the control setpoint. or decreases. By adjusting the contact arm 33, either the contact 34 or the contact 35 becomes
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touched by the contact arm and thus the excitation winding 36 or 37 of the motor 38 is supplied with current. The motor 38 then adjusts the valve 40 in the sense of reversing the pressure change.
In order to apply the invention to this embodiment of a controller, which is known per se, the thermal feedback is coupled directly to the contact arm 33. The structure of the thermal feedback is as follows:
By means of lines 42 and 43, two heating coils 44 and 45 are connected to the contacts 34 and 35, which heat the thermal return. In the example, a cylindrical corrugated pipe 46 is provided as an essential part of the thermal return, the openings of which are covered by plates 49 and 50 coupled to one another by screw connections 47, 48. The edges of the corrugated pipe 46 are attached to the plates 49 and 50. In the interior of the corrugated pipe 46 there is a partition 51 which is coupled to the contact lever 33 in an articulated manner.
In addition, there is a small amount of an easily evaporating substance 52 in the two spaces formed by the partition 51.
The operation of the thermal feedback shown is as follows: Finds through the pressure gauge 31 z. B. an actuation of the contact 33,35 instead of, the heating coil 45 is fed with current via the line 43. It heats the space in which it is located, and as a result of the evaporation of part of the substance 52, the vapor pressure in this space changes compared to the vapor pressure in the space of the heating coil 44. This pressure difference results in a displacement of the partition 51 and thus an adjustment of the contact arm 33 in the sense of the interruption of the contact 33, 35.
The conditions are correspondingly when a contact is made at 33, 34 and, accordingly, heating by the heating winding 44 which is switched on in this case takes place. Only then is the direction of adjustment of the contact arm 33 reversed as before, so that the contact 33, 34 is interrupted.
With the help of the variable resistors 23, 24 in the lines 42, 43 it is in the hand to set the heating current strength in the windings 44 and 45 to the respectively desired value and thus at the same time the return time of the thermal return and the size of the return movement according to the operating conditions adjust.
As a further means for setting the desired return characteristic, a connecting line 53 is provided between the two spaces formed by the partition wall 51, the effective cross-section of which can be optionally set by actuating a throttle element 54.
Any liquid with a low boiling point can be used as the readily vaporizable substance 52, for example. Instead of the mechanical pressure meter 31, other mechanical measuring systems, such as temperature meters, quantity meters, tension meters, etc., can also be provided. Furthermore, it is also possible not to couple the thermal feedback to the contact arm 33 but to the two mating contacts 34 and 35. In this case, the two mating contacts 34 and: 35 are to be arranged on a rotatably mounted plate which is mechanically coupled to the partition 46.
The heating coils 44 and 45 are again switched in such a way that the contact-making at 33, 34 or 33, 35 caused by the mechanical knife 31 is canceled again by a corresponding adjustment of the mating contacts 34 and 35.
Finally, instead of the contact arrangement 33, 34, 35 it is also possible to use any other parts known per se, for example bolometers, photocells or the like. In such an embodiment, a cover plate is to be arranged in place of the contact located on the contact arm 33, which is located between a pressure medium flow or radiation and the bolometer resistors or a photocell arrangement.
The advantages of the new facility can also be used well for those controllers that do not have a contact instrument. Due to the lack of any contacts, the construction of the new facility is naturally not inconsiderably simplified and its operational reliability is also increased. An example of this type, in which a gas or vapor discharge tube (current gate) is used, is illustrated in FIG.
An alternating voltage is applied to the terminals 60 and is connected to the auxiliary grid 63 of a gas or vapor discharge tube 64 (current gate) with the aid of a capacitor 61 and an ohmic resistor 62. By appropriately adjusting the parts 61 and 62, it can be achieved that a current flows constantly in the tube 64 between the cathode 65 and the anode 66. In the example shown, this current flows through the winding 67 of an electrically heated furnace 68. The furnace temperature is monitored by means of a temperature-dependent resistor 69, which is connected to the control grid 72 of the tube 64 via a bridge circuit 70 with the aid of a transformer 71.
In the sense of the invention, the thermal feedback is now also applied to the control grid 72. For this purpose, two further temperature-dependent resistors 73 and 74 are connected in two adjacent branches of the Wheatstone bridge circuit 70. The two resistors 73 and 74 have different thermal inertia and are built into a container 76 on both sides of their common heating element 75, which represents a reduced, thermal image of the furnace 68. The different thermal inertia of the resistors 73 and 74 can be achieved either by having both resistors in different shapes, e.g. B. the one as a straight wire and the other as a spiral
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wire, or that, as shown, between the heating coil 75 and a resistor, for.
B. 73, a cover 77 is arranged. In parallel to the heating coil 75, which is always located in the anode circuit of the tube 64, a regulating resistor 78 is also provided, which is used to set the desired sensitivity.
The mode of operation of the regulator shown is as follows: The current flowing through the tube 64 and the furnace winding 67 is adjusted with the aid of the capacitor 61 and the resistor 62 so that the desired normal temperature (control setpoint) is set in the furnace 68.
If the furnace temperature now changes upwards or downwards, the resistance value of the temperature-dependent resistor 69 and thus the current flowing in the diagonal branch of the bridge circuit 70 also change at the same time. As a result of this change in current, a change in the potential of the control grid 72 is brought about via the inductive coupling 71, which in turn results in a change in the current flowing through the tube 64 and the furnace winding 67. The change in the current in the furnace weight 67 takes place in such a way that the deviation from the control setpoint is reversed again.
In order to prevent overregulation or oscillation around the desired regulation setpoint in the regulation considered so far, the current of the heating winding 75 of the thermal feedback, which is in series with the furnace winding 67, will also change with every deviation from the regulation setpoint. This change in the current intensity in the heating winding 75 of the thermal feedback initially has the effect of different heating of the resistors 73 and 74. For example, if the current in the winding 75 increases, the resistor 74 is heated more than the resistor 73 for some time.
As a result, the difference between the two resistors 73 and 74 acts in the bridge circuit 70 for some time, with the result that the influence of the potential of the control grid 72 and the tube 64 by the resistor 69 cannot immediately equalize. Only after some time will the resistor 73 of the thermal feedback assume the same temperature as the resistor 74 and thus the influence of the potential of the grid 72 by the temperature-dependent resistors 73 and 74 will cease until the next change in the furnace temperature occurs.
The device shown is particularly suitable for those cases where the operational changes in the physical state of a medium, in the example of the gas filling of the furnace, are operationally slow, as is often the case for the temperature in electric furnaces.
The new design of the controller has the advantage that under such operating conditions in an operationally reliable manner without overregulation or even oscillation around the control setpoint value, it is automatically maintained with a relatively high degree of accuracy.
PATENT CLAIMS:
1. Regulator, in particular for regulating the physical state of a medium, with elastic feedback, characterized in that the characteristics of the control process are simulated by the characteristics of thermal feedback, which is heated in accordance with the impulses of the controller.