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Elektrisches Regel-und Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regel- und Steuergerät mit Fühler, Fühlergeber, Ein- stellgeber und Messwerk.
Es sind elektrische Regel-und Steuergeräte bekannt, die durch Temperatur oder andere physikalische Grössen beeinflussbare elektrische
Widerstände als wesentliche Bestandteile ihrer
Fühler benützen.
Zur Verbesserung der Regeleigenschaften dieser
Regler sind auch bereits Rückführungen, u. zw. vorwiegend solche elektrothermischer Bauart be- nützt worden.
Die beiden hauptsächlich bekannten Ver- fahren, elektrische Widerstände dem Einfluss physikalischer Grössen auszusetzen, befriedigen nicht voll. Das eine der beiden Verfahren beruht darauf, dass unter dem Einfluss der physikalischen
Grössen ein Kontakt verschoben wird, der da- durch einen kleineren oder grösseren Teil des
Widerstandes abgreift. Ein anderes Prinzip benützt elektrische Widerstände, bei denen die
Temperaturänderung direkt verwendet wird, um eine Widerstandsänderung zu erzeugen.
Das zuerst erwähnte Verfahren leidet unter
Veränderlichkeit des Übergangswiderstandes, Ab- nützung der Kontakte und dem Erfordernis relativ grosser Kräfte zur Verstellung des Kon- taktes. Das zweitgenannte Verfahren bringt bei der Verwendung normaler Kontaktinstrumente in der Regel eine relativ hohe Erwärmung des
Messwiderstandes mit sich, was aus mess-und regeltechnischen Gründen unzweckmässig ist.
Anderseits sind auch schon induktive Fühler bekannt geworden, jedoch ohne die gleichzeitige Verwendung einer Rückführung.
Es empfiehlt sich deshalb, gemäss der Er- findung in Verbindung mit mindestens einem zur Erfassung beliebiger physikalischer Grössen dienenden Fühler, mindestens teilweise nicht rein Ohm'sche Elemente als Fühlergeber zur Übersetzung der ursprünglichen Messgrössen in eine elektrische Grösse zu benutzen und hiezu zur Verbesserung der Regeleigenschaften Rück- führungen vorzusehen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Fig. l zeigt das
Prinzipschaltbild eines Progressivreglers mit nach- giebiger Rückführung, während Fig. 2 das
Prinzipschaltbild eines Auf'Zu-Reglers mit starrer Rückführung veranschaulicht. Fig. 3 zeigt einen Einstellgeber mit eingebauter thermischer Rückführung. Fig. 4 zeigt ein Ausdehnrohr für die Regelung von Objekten mit relativ kleiner Zeitkonstante, Fig. 5 ein solches für die Regelung von Objekten mit relativ grosser Zeitkonstante.
Der Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele sei unter Bezugnahme auf die eingangs gemachten Ausführungen folgendes vorausgeschickt :
Die Einwirkung auf Induktivitäten oder Kapazitäten, also auf nicht rein Ohm'sche Elemente, kann durch die physikalischen Grössen unmittelbar erfolgen, indem z. B. die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität von Eisenkernen zur Induktivitätsveränderung herangezogen wird, oder indem die Permeabilitätsänderung von gewissen Legierungen unter dem Einfluss der mechanischen
Beanspruchung (Magnetostriktions-Effekt) od. dgl. benützt wird. Bei Kondensatoren kann die
Temperaturempfindlichkeit der Dielektrizitäts- konstanten herangezogen werden.
Man kann aber auch so vorgehen, dass die physikalischen Grossen auf geeignete Zwischenglieder wirken, die ihrerseits in Abhängigkeit der physikalischen Grössen Kräfte erzeugen, womit Luftspalte von Drosseln oder in
Kondensatoren beeinflusst werden können.
Bei den grundsätzlichen Schaltungen des Gerätes mit Fühlergeber, Einstellgeber und Rückführung nach den Fig. 1 und 2 sind die Stromspulen 9 und 10 eines Fenariswattmeters 9-13 in Gegen- wirkung geschaltet, d. h. sie ergeben mit der
Spannungsspule 13 zusammen ein Drehmoment, welches 0 wird, wenn die Ströme in den
Schenkeln 9 und 10 des Stromeisens 11 gleich gross sind. Die Wicklung 1 des Fühlergebers 1-4 und die Wicklung 5 des Einstellgebers 5-7 sind in Reihe mit der Stroms pule 10 geschaltet, während die Wicklung 2 des Fühlergebers und die Wicklung 6 des Einstellgebers in Reihe mit der Stromspule 9 geschaltet sind, d. h. das Ferrariswattmeter wird in einer sogenannten
Nullschaltung verwendet.
Fühlergeber 1-4 und
Einstellgeber 5-7 enthalten Drosseln mit ver- stellbarem Luftspalt, wobei derjenige des Ein- stellgebers durch eine Gewindespindel 8 mittels
Einstellknopf Na und derjenige des Fühler- gebers durch einen (nicht dargestellten) Fühler
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verstellt wird, welch letzterer die Messgrösse in mechanische Bewegung umsetzt.
Verändert man am Einstellgeber den Luftspalt, so ergibt sich-sofern das Messwerk vorher im Gleichgewicht war-eine Unsymmetrie der Ströme in den Wicklungen 9, 10 des Stromeisens 11. Demzufolge verdreht das Wattmeter über die Triebscheibe 12 den Reglerkontakt 17, wodurch der Regelmotor 18, welcher die Mess- grösse steuert, im Sinne einer Korrektur verstellt wird. Dadurch verändert die sich ändernde Messgrösse mittels des Fühlers den Luftspalt des Fühlergebers, bis die Ströme in den Wicklungen 9 und 10 einander gleich sind und der Reglerkontakt 17 in die Mittellage geschwenkt wird, worauf Ruhe eintritt. Mit 16 und 16 a sind Rückführungen bezeichnet, die weiter unten näher erläutert sind.
Ohne auf die zur Erläuterung der Erfindung nicht interessierenden Einzelheiten im einzelnen näher einzugehen, sei erwähnt, dass in den
Fig. 1 und 2 mit 14, 19 und 20 Relais, mit 21 ein Stufenwtderstand, mit 22 ein Abtastmotor, mit 23 ein Rückführwiderstand und mit 24 ein Schutzwiderstand bezeichnet sind.
Sowohl der Fühlergeber 1, 2,3, 4 als auch der Einstellgeber 5, 6,7, 8 bewirken eine Verstellung des Reglers.
Es ist möglich, entweder den Fühlergeber oder aber auch den Einstellgeber direkt durch die Rückführgrösse zusätzlich zu beeinflussen. In
Anbetracht dessen, dass der Fühlergeber aus thermischen Gründen möglichst wenig mit Masse behaftet und aus elektrischen Gründen mit
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fuhreinrichtung am Einstellgeber angebracht.
Eine prinzipielle Ausführungsform der vor- stehend generell beschriebenen Rückführung auf thermischer Basis ist in Fig. 3 dargestellt und nachstehend beschrieben :
An einer auf Füssen 25 ortsfest angeordneten
Platine 26 sind zwei mit Heizwicklungen ver- sehene Messingrohre 27 und 28 angeordnet, die durch eine zweite Platine 29 miteinander ver- bunden sind.
In der Platine 29 ist das Einstellorgan 30 mit Zeiger 31 über einer Skala an der Platine 29 ein-und ausschraubbar. Mit der Einstell- schraube 30 steht ferner eine Platine 32 in Ver- bindung, an der zwei mit Heizwicklungen ver- sehene Messingrohre 33 und 34 befestigt sind, die durch eine weitere Platine 35 miteinander verbunden sind. An der Platine 35 ist über eine
Stange 36 ein zwischen den Schenkeln 37, 38 einer Doppeldrossel verschiebbarer Anker 39 befestigt.
Die Doppeldrossel 37, 38 ist über starre
Halter 40, 41 und Stützen 42,43 auf der orts- 'festen Platine 26 befestigt. Die Stützen 36, 42 und 43 bestehen aus Invar.
Zwischen den Platinen 29 und 32 ist noch eine die Einstellschraube 30 umgebende Druck- feder 44 eingeschaltet, die einen spielfreien Abstand der Platinen 29 und 32 und der an ihnen angeordneten Teile gewährleistet.
Hinsichtlich der Wirkung der vorstehend beschriebenen Einrichtung ist folgendes auszuführen :
Grundsätzlich hat eines der Rückführorgane (Rohre 33, 34) zwischen der Einstellschraube 30 des Einstellgebers und dem über die Einstellschraube 30 verschiebbaren Anker 39 einzugreifen. Das andere Rückführorgan (Rohre 27, 28) ist jedoch zwischen der Einstellschraube 30 und der ortsfesten Basis 25, 26 einzuschalten.
Die Anbringung von Rückführorganen 33, 34 lediglich zwischen Einstellschraube und Anker 39 würde die Einrichtung von der Umgebungstemperatur abhängig machen. Um dies zu kompensieren, ist das zweite System von Rückführungsorganen 27, 28 zwischen der festen Basis 25, 26 und der Einstellschraube 30 angeordnet.
Als thermische Rückführorgane sind in den gezeichneten Ausführungsbeispielen Messingrohre mit auf diesen angebrachten Heizwicklungen verwendet.
Beheizt man nur das eine Rohrpaar, so erhält man eine Verschiebung auf die entsprechende Seite, beheizt man dagegen das andere, so entsteht eine Verschiebung auf die andere Seite.
Man kann also auf diese Art eine Sollwertverschiebung des Reglers auf diese oder die andere
Seite erreichen, deren Grösse durch die Heizleistung bestimmt ist.
Fig. 4 zeigt eines der Ausdehnungsrohre 27, 28, 33, 34 in gegenüber Fig. 3 vergrössertem Massstab im Längsschnitt, in einer für die Regulierung von Objekten mit kleinen
Zeitkonstanten geeigneten Ausführung.
Das Ausdehnrohr gemäss Fig. 5 zeigt eine
Variante, bei welcher durch Abisolierung des
Rohres, z. B. 28, gegenüber den übrigen Teilen des Rahmens und der Umgebung, mittels Glas- röhren 45, 46 die Rückkühlgeschwindigkeit ver- ringert wird, welche Eigenschaft für die Regu- lierung von Objekten mit grossen Zeitkonstanten notwendig ist.
Im folgenden sind die Gesichtspunkte auf- geführt, nach denen die Rückführung für das geschilderte Beispiel eines Progressivreglers (Fig. 1) auszuführen ist, um günstige Eigen- schaften des Reglers zu gewährleisten.
Die Rückführung hat die Aufgabe, den Regel- vorgang zu stabilisieren. Unstabilität desselben entsteht durch die stets vorhandene Reaktions- verzögerung des regulierten Objekts. Sie hat zur Folge, daü jedes Regelkommando um diese
Verzögerungszeit zu spät kommt, und dem- zufolge eine Überregulierung stattfindet. Die
Rückführung soll dem Regler einen Istwert vortäuschen, der dem wirklichen Istwert gerade um die Reaktionsverzögerung voreilt, so dass der Regler rechtzeitig eingreift und eine Über- regulierung verhindert.
Die Rückführgrösse muss sich nach Massgabe des nach dem Stillsetzen des Regelmotors infolge der Verzögerung der Anlage stattfindenden Aus-
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ist demnach der Ausgleichsgeschwindigkeit der Anlage zugeordnet.
Die Anfangsgeschwindigkeit der Ausbildung der Rückführgrösse unterliegt jedoch einer anderen Bedingung, indem sie mitbestimmend ist für die Länge des kürzest möglichen Regelimpulses.
Die Unempfindlichkeitszone des Reglers soll möglichst klein sein. Das bedeutet aber, dass die
Auswirkung des kürzesten Regelimpulses kleiner sei als diese Zone, da sonst der Regler dauernd pendeln würde. Je kürzer der kürzeste Regel- impuls ist, um so grösser kann die Verstell- geschwindigkeit des Regelorgans und damit die Regelgeschwindigkeit sein.
Es muss demnach nach Mitteln gesucht werden, den Regelimpuls möglichst kurz zu halten.
Hiefür ist Bedingung, dass die thermische Rück- führung möglichst rasch anspricht, d. h. eine messbare Verstellung des Reglers erzeugt. Die
Kontaktdauer, d. h. die Dauer des Regelimpulses hängt demnach nur von der Ansprechzeit der
Rückführung ab. Dieselbe kann erheblich ver- kürzt werden, wenn die Heizleistung der thermischen Rückführung erhöht wird. Um dies zu ermöglichen, ohne dass die Erwärmung zu gross wird und die Rückführgrösse einen unnötig hohen Wert erreicht, speist man, wie später noch beschrieben wird, die Heizwicklung anstatt mit der vollen Länge der Regelimpulse nur während eines Bruchteils dieser Zeit, beispiels- weise ein Drittel ein, zwei Drittel aus, so dass die
Heizleistung bei gleicher Erwärmung und Rück- führgrösse dreimal grösser gewählt werden kann.
Bei einem Regler mit sehr kleiner Unempfind- lichkeitszone genügt jedoch diese Massnahme' allein noch nicht. Die Heizung der thermischen Rückführung und diese selbst haben ebenfalls eine Reaktionsverzögerung, die zur Folge hat, dass erstens der Impuls mindestens so lange dauert, als diese Reaktionsverzögerung und dass nach dem Auf hören des Impulses noch ein weiteres Ansteigen der Rückführgrösse während der Zeit dieser Verzögerung stattfindet. Die erstere Wirkung ergibt einen kürzesten Regel- impuls, der mindestens so lang ist wie die
Reaktionsverzögerung der Rückführung.
Die zweite Wirkung hat zur Folge, dass nach dem Aufhören des Impulses der Kontakt des Regel- wattmeters sich während der Reaktionszeit der Rückführung noch weiter bewegt, was zur
Kontaktgabe auf der Gegenseite führt, und somit den Regler zum Pendeln bringt.
Dieser Effekt kann behoben werden durch
Zuschalten einer zweiten, verzugslos arbeitenden
Rückführung, welche dadurch bewerkstelligt wird, dass man das Wattmeter 10-13 mittels
Zuschalten eines Widerstandes 23 (Fig. l) ver- stimmt. Dadurch wird der Regelimpuls wesentlich verkürzt, indem der Kontakt 17 sogleich abhebt.
Bis die thermische Rückführung auf den Impuls anspricht, ist derselbe bereits abgelaufen ; die
Rückstellung des Wattmeters nach Ablauf des Zyklus des Abtastautomaten 22 erfolgt infolge seiner Dämpfung relativ langsam, so dass die thermische Rückführung inzwischen eine messbare Rückführgrösse ausgebildet hat, bevor der Kontakt neuerdings zur Berührung kommt.
Sofern nicht die regulierte Grösse sich verändert hat, erfolgt der nächste Impuls erst nach Ablauf der Rückbildung der thermischen Rückführgrösse. Mit der Erregung eines der beiden Relais 19 oder 20 wird gleichzeitig über den Kontakt 191 oder 201 der Abtastautomat eingeschaltet, welcher nach einer gewissen einstellbaren Zeit die Schalter 221-223 betätigt. Der Abtastautomat 22 arbeitet dabei derart, dass der Haltestromkreis des jeweils gerade erregten Relais 19 oder 20 durch Betätigung des Umschalters 221 unterbrochen und derjenige des zuletzt nicht erregt gewesenen Relais 19 oder 20 vorbereitet wird.
Ferner werden die beiden Stromkreise des Regelorganes 18 und der beiden Heizwicklungen der Rückführungen 16 und 16 a jeweils vom Netz getrennt, während sie durch die Kontakte der Relais 19 oder 20, wenn eines derselben durch den Regelkontakt 17 erregt wird, wieder eingeschaltet werden.
Mittels dieser Massnahmen gelingt es, die Dauer des kürzesten Regelimpulses auf einen Bruchteil zu verkürzen.
Die Verstimmung des Wattmeters, im folgenden als elektrische Rückführung bezeichnet, hat ausserdem aber noch eine Wirkung, welche den Regler in einem Bereich, welcher der doppelten Rückführgrösse der elektrischen Rückführung entspricht, stetig macht.
Das Verhältnis der Länge der Regelimpulse zu der aus Impuls- (-Pause bestehenden Periode ist infolgedessen abhängig von der Abweichung
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grösse, so entsteht Dauerkontakt.
Innerhalb dieses Bereiches ist also jeder Abweichung vom Sollwert eine andere mittlere Verstellgeschwindigkeit des Regelorgans zugeordnet.
Die gleichzeitige Anwendung der schnellwirkenden elektrischen und der langsam wirkenden thermischen Rückführung ergibt einen stetigen Regler mit elastischer Rückführung ohne bleibende Ungleichförmigkeit, d. h. mit gleichbleibendem Sollwert bei jeder Belastung des regulierten Objekts.
Die beschriebene Kombination hat ferner die Wirkung, dass die Regelgeschwindigkeit wesentlich grösser gewählt werden kann als bei Anwendung entweder nur der thermischen, oder nur der elektrischen, eine stetige Wirkung erzeugenden Rückführung.
Beim Beispiel des Auf/Zu-Reglers nach Fig. 2 mit starrer Rückführung wird lediglich das Rohrpaar 16 des Rückführorgans beheizt.
An Stelle der thermischen und elektrischen Rückführung können als in den Rahmen der Erfindung fallend auch elektromagnetische oder andere Rückführungen vorgesehen sein.
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Ausser den angegebenen Rückführeinrichtungen fallen beispielsweise auch solche unter die Erfindung, die aus mindestens einem beheizten Bimetall bestehen, welches mit mindestens einer zusätzlichen Spannungsvortriebseinrichtung in Wirkungsverbindung steht.
In Verwendung nicht rein Ohm'scher Elemente als Geber zur Übersetzung der ursprünglichen Messgrössen in elektrische Messgrössen können auch Kondensatoren dienen, mit denen ent- sprechende Rückführungseinrichtungen ver- bunden sind.
Wie bereits generell angedeutet, fallen Ein- richtungen ebenfalls unter die Erfindung, bei denen mindestens eine Rückführeinrichtung ent- weder auf den Fühler, den Fühlergeber, den
Einstellgeber oder das Messwerk einwirkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Regel-und Steuergerät mit
Fühler, Fühlergeber, Einstellgeber und Messwerk, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit mindestens einem zur Erfassung physikalischer Grössen dienenden Fühler und unter Verwendung von zum mindesten teilweise nicht rein
Ohm'schen Elementen im Geber zur Über- setzung der ursprünglichen Messgrösse in eine elektrische Grösse, mindestens eine Rückführ- einrichtung vorgesehen ist.