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Integrierende Relais-Regeleinrichtung
Der Erfindungsgegenstand ist eine Relais-Differentialregelanordnung, welche durch zwei Integrationkreise gesteuert wird. Diese integrieren sowohl die zu regelnde, als auch die Vergleichsgrösse und steuern Kippschaltungen oder Ventilröhren, welche ein Steuerrelais betätigen. Der Unterschied der Spannungen an den Integrationskondensatoren, welcher in der Schaltzeit t auftritt, bestimmt die Richtung des Regelvorganges.
Es sind bisher eine ganze Reihe, auf verschiedenen mechanischen, hydraulischen und elektrischen Prinzipien beruhende Regeleinrichtungen entwickelt worden, aber allen diesen Einrichtungen haftet als gemeinsames Merkmal die eingeschränkte Verwendbarkeit und die Verwendung schwierig herstellbarer Bauelemente an. Der grösste Teil der bisherigen Regeleinrichtungen weist eine mehr oder weniger grössere Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen der zu regelnden Grösse auf.
Der Erfindungsgegenstand beseitigt die geschilderten Nachteile dadurch, dass übliche Bauelemente (Telefonrelais, Elektronenröhren usw. ) Verwendung finden und kann bei Verwendung geeigneter Geber jeder Regelaufgabe gerecht werden.
Er eignet sich sowohl für Programmregelungen, als auch für einige Zwecke der Messtechnik, wie Feststellung der Strömungsrichtung in Kanälen usw. Ein grosser Vorteil des Gegenstandes der Erfindung ist in der Tatsache begründet, dass die Vorrichtung ohne toten Gang arbeitet und schon die kleinste Abweichung der zu regelnden Grösse oder der Vergleichsgrösse den Regelvorgang auslösen.
An Hand der Fig. 1-3 soll der Erfindungsgegenstand nun näher beschrieben werden. In Fig. l ist ein Schaltbild der Regeleinrichtung dargestellt, aus welcher das Prinzip erkennbar ist. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Regelvorganges und Fig. 3 zeigt schliesslich die Anwendung eines elektronischen Schalters an Stelle der in Fig. l enthaltenen Elektronenröhren zur Entladung der Kondensatoren.
Wie Fig. 1 zeigt, besteht die erfindungsgemässe Regeleinrichtung im wesentlichen aus zwei gleichar-. tig aufgebauten Integrationsschaltungen mit Elektronenröhren 5 bzw. 6, welche im wesentlichen als elektronische Ventile arbeiten. Es können dies sowohl Vakuumröhren als auch gasgefüllte Röhren sein. Die Anodenspannung wird den Röhren über die Klemme 17 (Pluspol) und die Masseverbindung (Minuspol) zu-
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denen die Widerstände 1 bzw. 2 zugeordnet sind. Diese Widerstände sind veränderbar und sie können Geberwiderstände sein oder aber von Gebern gesteuert werden, deren Einstellung von der zu regulierenden Grösse bzw. von einer Vergleichsgrösse bestimmt ist.
Zur Anpassung an besondere Aufgaben der Mess- und Regeltechnik können als Geber auch Photozellen, mechanisch gesteuerte Potentiometer und auch Entladungsröhren dienen.
Die veränderlichen Widerstände 1 und 2 bilden zusammen mit den Kondensatoren 3 und 4 zwei Integrationskreise. Erreicht die Spannung am Kondensator 3 bzw. 4 einen gewissen positiven Wert, steigt der Anodenstrom der Röhre 5 bzw. 6 soweit an, dass das im Anodenkreis befindliche Relais 11 bzw. 12 anspricht. Entscheidend für das Ansprechen der Relais 11 oder 12 ist der Wert der positiven Spannung an den Kondensatoren 3 und 4. Derjenige Kreis spricht eher an, bei welchem der kritische Spannungswert eher erreicht wird, wodurch der Richtungssinn des Regelvorganges festgelegt wird. Die Kathodenwiderstände 9 und 10 sowie die Potentiometer 7 und 8 bestimmen die Grösse der kritischen Spannung und erlauben eine Einstellung des Reglers.
Erreicht die Spannung des Kondensators 3 eher den kritischen Wert, so schliessen die in der Zeichnung
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mit den gleichen Ziffern bezeichneten Arbeitskontakte a, b und c, d des Relais 11 Über die Arbeitskontakte c, d des Relais 11 wird das Relais 14 an die Spannungsquelle 16 angeschlossen. Über die hbeitskon- takte a, b des Relais 14, denen ebenso wie bei Relais 11 die Bezugsziffer des Relais vorgesetzt ist, werden die Klemmen 18 und 19 an Spannung gelegt. und ein an de angeschlossener Gleichstrom-Servomotor läuft in einer bestimmten Drehrichtung an. Ausserdem unterbrechen die Ruhekontakte c, d des Relais 14 den Stromkreis für das Relais 15, wodurch die Klemme 20, an welcher eine Spannung für die umgekehrte Drehrichtung des Motors abgegriffen wird, stromlos wird.
Der Servomotor beeinflusst die zu regelnde Grö- sse so lange, bis am Kondensator 4 ebenfalls der kritische Spannungswert erreicht wird.
Nach Erreichen dieses Spannungswertes spricht das Relais 12 an. Das Relais 15 kann nicht ansprechen, da sein Stromkreis durch die Ruhekontakte c, d des Relais 14 unterbrochen ist. Das Ansprechen des Relais 12 schliesst den Stromkreis für das Relais 13, welches eine Entladung der Kondensatoren 3 und 4 bewirkt, wodurch die Relais 11, 12,13 und 14 abfallen. Dieser gesamte Schaltzyklus wiederholt sich so lange, bis der eingeregelte Zustand erreicht wird. Die Anzahl der Schalterzyklen ist sowohl von der Regelgeschwindigkeit als auch von der Zeitkonstante der Integrationskreise abhängig urd kann durch Wahl der Übersetzung zwischen dem Servomotor und dem Steuerelement der zu regelnden Grösse beeinflusst werden.
Eine graphische Darstellung des Regelvorganges zeigt Fig. 2. In dem Diagramm ist für zwei Möglichkeiten des Regelverlaufs die geregelte Grösse y als Ordinate und Zeit t als Abszisse gezeichnet. Die Kurve (gebrochene Linie) I. Kennzeichnet einen periodischen Verlauf, wogegen die gestrichelte. gezeichnete Kurve II eine Regelung mit einem gedämpft oszillierenden Verlauf darstellt.
Der massgebende Faktor für den Regelvorgang, ob eine Regelung nach Kurve I oder II zustande kommt, ist durch den Aufdruck
A = E. C. I (1) definiert, welcher mit der sogenannten Servore3elkonstante K verglichen wird.
Es bedeutet : E... die Spannung des betreffenden Kreises am Kondensator 3 oder 4 C... die Kapazität des Kondensators 3 und 4 I die Regelgeschwindigkeit, welche durch die Änderung des dem Widerstand
1 oder 2 durchfliessenden Stromes (in jLiA/sec) gegeben ist, K... die von der Konstruktion und Wertzahl des Servoregulators abhängige
Servoregelkonstante.
Im Falle der Gleichheit des Ausdrucks A mit der Konstante K des Gerätes d. i. wenn E. C. I = K, (0) ist die Regelung kritisch, d. h. sie durchläuft nur einen Zyklus.
Wenn der Ausdruck A kleiner ist als K d. i. wenn E. C. 1 < K, (I) kommt es zu einer periodischen Regelung, deren Verlauf beispielsweise durch die gebrochenen Linien I angegeben ist.
Ist aber das Produkt A grösser als die Konstante K d. 1. wen E. C. I > K, (II) wird der Regelvorgang in gedämpften Schwingungen, wie es durch die Kurve II angedeutet ist, vorsieh" gehen.
Es sei zunächst der Regelvorgang I näher besprochen. Es wird angenommen, dass der Widerstand 1 des ersten Integrationskreises mit dem Kondensator 3 als Normal ausgebildet ist, d. h. die Zeitkonstante . -eses RC-Gliedes ist so gewählt, dass im Gleichgewichtszustand die geregelte Grösse y den im Diagramm durch die strichlierte Linie n, n'dargestellten Sollwert Yn entspricht. Der Widerstand 2. welcher zusammen mit dem Kondensator 4 das zweite Integrationsglied bildet, ist durch den Geber repräsentiert.
Im Ausgangspunkt a hat die geregelte Grösse y beispielsweise einen Wert. der viel kleiner als Yn ist.
Die Spannung an den beiden Kondensatoren 3 und 4 ist in diesem Augenblick gleich Null. Nun werden beide Kondensatoren 3, 4 geladen, was im Diagramm durch die Linie ab dargestellt ist. Nach einer Zeit tl hat der Kondensator 4 wegen der kleineren Zeitkonstante des RC-Gliedes (am Anfang des Regelvorganges sei der Geberwiderstand kleiner als der Normalwiderstand) schon jene Spannung erhalten, welche dem
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Schaltwert entspricht und infolgedessen das Relais 12 zum Ansprechen kommt, wodurch der nicht einge- zeichnete Servomotor, welcher an die Klemmen 18, 19,20 angeschlossen ist, zu laufen beginnt und regelt somit die Grösse y. Dieser Regelvorgang ist im Diagramm durch die Linie bc angezeigt. In dieser Zeit werden die Kondensatoren 3,4 weiter geladen.
Der Punkt c ist durch die Zeit t2 gegeben, nach welcher das Relais 11 des Integrationskreises 1, 3 anspricht und den Regelvorgang beendet. Nach dem Erreichen des Punktes c werden, wie schon oben erwähnt, dip, Ladungen beider Kondensatoren 3,4 gelöscht und das bedeutet das Ende des ersten und Anfang des nächsten Zyklus.
Der zweite Zyklus cde verläuft ähnlich dem ersten. Nach einer Zeit ' schaltet wieder das Relais 19- ein, soferne der Geberwiderstand noch immer kleiner als der Normal-Widerstand ist, und der Servomotor fängt an zu regeln, wobei sich der Wert der geregelten Grösse y weiter dem Gleichgewichtszustand y nähert. Dieser Prozess wiederholt sich einige Male, bevor der Gleichgewichtszustand n, n'erzielt wird, wobei sich die Zykluszeiten t.,t'... allmählich verkürzen.
Etwas anders verläuft die Regelung, wenn die Bedingung (II) erfüllt ist, deren Verlauf durch den Linienzug II im Diagramm dargestellt ist. Nach der Ansprechzeit a', b'kommt es zu einer Regelung b', c', aber die Regelgeschwindigkeit ist grösser, und die geregelte Grösse überschiesst den Gleichgewichtszu-
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auch das Relais 14 sprechen an. Der Servomotor reguliert nun im entgegengesetzten Sinn, d. i. die geregelte Grösse wird verkleinert, so dass zum Schluss des zweiten Zyklus im Punkt e'der Wert dieser Grösse wieder unter dem Gleichgewichtszustand n, n'liegt.
Im weiteren Verlauf bei der Annäherung zu der Linie n, n'übertritt die gesteuerte Grösse y einige Male diese Linie, und man kann in diesem Falle also von einer Regelung in gedämpften Schwingungen sprechen.
Um eine grössere Genauigkeit der Regelung zu erzielen und ferner um den Einfluss eines ungenauen Ansprechens des Relais 11 und 12 auszuscheiden, was bei langsam ansteigendem Anodenstrom häufig der Fall ist, ist es möglich, eine Verbesserung durch die Verwendung von bekannten Kippschaltungen zu erzielen. Eine solche Kippschaltung ist beispielsweise in Fig : 3 schematisch dargestellt. So können z. B. zwei Schaltungen nach Fig. 3 an die beiden Relais 11 und 12 (Fig. 1) in den Punkten (Klemmen) 21a, 22a bzw. 21b, 22b angeschlossen werden. Die entsprechenden Klemmen der Schaltung nach Fig. 3 sind mit den Bezugsziffern 21 und 22 bezeichnet. Die Schaltung gemäss Fig. 3 arbeitet mit einem empfindlichen Hilfsrelais 23, welches durch zwei Elektronenröhren 24 und 25 gesteuert wird.
Die den Teilen der Fig. l entsprechenden Elemente (Widerstände 1, 2, Integrationskondensatoren 3, 4 und Potentiometer 7,8) werden in Fig. 3 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei die Bezugsziffern für die Anordnung des unteren Integrationskreises 2,4, 6 und 8 in Klammern angefügt sind.
Der Widerstand 1 (2) veranschaulicht den Geber. Über-diesen Widerstand wird der Integrationskondensator 3 (4) aufgeladen. Liegt am Kondensator 3 (4) die Spannung Null, so ist die Röhre 24 gesperrt. Die Röhre 25 führt Strom, weil über die Widerstände 26 und 27 ihr Gitter an einer positiven Spannung liegt. Der am Kathodenwiderstand 28 auftretende Spannungsabfall sperrt die Elektronenröhre 24. Infolgedessen hat das Relais 23 seinen Anker angezogen und die Kontakte 23a und 23b sind geöffnet.
Wenn die Spannung am Kondensator 3 (4) ansteigt und einen gegenüber der Kathode positiven Wert erreicht hat, wird die Elektronenröhre 24 leitend. Infolge des Anodenwiderstandes 26 sinkt die an der Anode liegende Spannung ab . Dadurch wird auch die Spannung am Gitter der Röhre 25 verkleinert und die Röhre 25 wird weniger leitfähig, ihr Anodenstrom nimmt ab und auch das Potentialgefälle an dem Widerstand 28 wird kleiner. Infolgedessen nimmt der Strom durch die Röhre 24 weiter zu, was eine weitere Spannungsverminderung an ihrer Anode zur Folge hat. Die Elektronenröhre 25 fahrt schliesslich einen Strom, der das Relais 23 zum Ansprechen bringt. und es werden die Arbeitskontakte 23a und 23b geschlossen. Das Relais 11 bzw. 12 wird an die Quelle 29 angeschaltet. Die Widerstände 27 und 30 werden zur Einstellung des Arbeitspunktes der Röhre 25 benützt.
Der weitere Vorgang verläuft in derselben Weise, wie es in der Beschreibung zu Fig. 1 geschildert wurde.
Der Erfindungsgegenstand kann für die verschiedensten Regelaufgaben unter Verwendung eines normalisierten Relaisschaltsatzes verwendet werden. Die verwendeten Geber richten sich nach der Art der zu regelnden Grösse. Ferner kann dieses Regelprinzip für Messgeräte zur Bestimmung der Strömungsrichtung von Gasen und Flüssigkeiten in Kanälen unter Verwendung automatisch einstellbarer Sonden benutzt werden.