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Elektro-thermomechanisches Stellglied mit mechanischer Rückführung
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektro-thermomechanisches Stellglied mit mechanischer Rückführung insbesondere für Ausgangsschieber oder Ventile von Ofen.
Die Nachfrage nach wirtschaftlich herstellbaren Regelsystemen mit Rückführungen hat sich stetig erhöht. Derzeit sind Elektromotoren und Zahnradgetriebe die am häufigsten verwendeten Vorrichtungen zur ferngesteuerten Verstellung von Ventilen und Schiebern in einem Heizsystem. Solche Elektromotore und dazu benötigte Zahnradgetriebe bilden einen wesentlichen Bestandteil der Gesamtkosten für ein in einem Heizungssystem verwendetes Regelsystem mit Rückführung.
Vor einiger Zeit erkannte man, dass elektro-thermomechanische Kraftstellglieder, wie etwa Wärmeumformer und Hitzdrähte (wie sie beispielsweise in den USA-Patentschriften Nr. 2, 926, 293, Nr. 2, 692, 955, Nr. 2, 833, 507 und Nr. 2, 322, 762 gezeigt sind) weitaus wirtschaftlicher herzustellen sind als Elektromotore mit Zahnradgetrieben, welche die Durchführung gleichwertiger Stellbewegungen ermöglichen. Jedoch wurden elektro-thermomechanische Kraftstellglieder für diese Zwecke deshalb nicht verwendet, da ein geeignetes Regelsystem mit Rückführung nicht zur Verfügung stand. Die Erfindung sieht nun ein wirkungsvolles und wirtschaftliches Regelsystem mit Rückführung für solche moderne Stellvorrichtungen elektrothermischer Art vor.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein neues und verbessertes elektro-thermomechanisches Stellglied mit mechanischer Rückführung vorzusehen.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektro-thermomechanisches Stellglied, insbesondere für Ausgangsschieber oder Ventile von öfen, dessen Heizdraht in Reihe mit Anode und Kathode eines steuerbaren Siliziumgleichrichters an einer Wechselstromquelle liegt, an die auch ein regelbarer Spannungsteiler angeschlossen ist, zu einem Teil desselben ein Kondensator parallel geschaltet ist, der zum Durchlässigsteuem eines steuerbaren Siliziumgleichrichters mit einem spannungsabhängigen Gleichrichter sowie der Steuerelektrode und der Kathode des Siliziumgleichrichters eine Stromschleife bildet.
Das elektro-thermomechanische Stellglied der vorstehenden Art ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das von dem dem Kondensator parallelgeschalteten veränderlichen Widerstand des Spannungsteilers abhängige elektro-thermomechanische Stellglied mit einer mechanischen, an einen Messwertumformer gekoppelten Rückkopplung versehen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden, welche im Zusammenhang mit den Zeichnungen durchgeführt wird, in denen Fig. l ein schematisches Schaltbild einer bekannten Schaltung, auf welcher die Erfindung aufgebaut ist, Fig. 2 bis 5 Diagramme von Strömen und Spannungen, die in der in Fig. l gezeigten Schaltung bei verschiedenen Betriebsbedingungen auftreten und Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Schaltung der Erfindung.
Da die Erfindung verschiedene Schaltungen zulässt, soll das in Fig. 6 gezeigte und hier ausführlich beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung dahingehend aufgefasst werden, dass es lediglich zur Erklärung der Grundsätze der Erfindung dient, wobei eine Einschränkung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht beabsichtigt ist.
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eine Wechselstromquelle angeschlossen ist. Der steuerbare Siliziumgleichrichter--12--umfasst eine Kathode-15-, eine Anode --16-- und eine Steuerelektrode-17-. Der steuerbare Siliziumgleichrichter entspricht einem Gas-Thyratron, somit einem steuerbaren Gleichrichter.
Der steuerbare Siliziumgleichrichter wird durch Anlegen eines Zündimpulses an die Steuerelektrode - -17-- und Kathode --15-- eingeschaltet, wenn die Anode --16-- gegenüber der Kathode --15-- positiv ist. Wenn der steuerbare Siliziumgleichrichter durch einen Zündimpuls eingeschaltet wurde, erfolgt die Stromleitung so lange, bis die Spannung zwischen Anode und Kathode auf Null abgesunken ist.
Fig. 2a zeigt die an den Klemmen-13 und 14-anliegende Wechselspannung, die einen Strom durch den elektrischen Heizkörper --11-- treibt und diesen erwärmt. Jedoch wird durch den steuerbaren Siliziumgleichrichter, dessen Anode über den heizkörper --11-- an der Klemme -13- liegt und dessen Kathode an die Klemme --14-- angeschlossen ist, der Wechselstrom so gleichgerichtet, dass nur die positiven Halbwellen zur Verfügung stehen, um einen Spannungsabfall am Heizkörper-11-zu ergeben.
Weiter fliesst während der positiven Halbwelle so lange kein Strom durch die Heizkörper bis an der Steuerelektrode --17-- ein Zündimpuls anliegt, welcher den steuerbaren Siliziumgleichrichter so lange öffnet, bis die Spannung zwischen Kathode und Anode auf Null abgesunken ist.
Fig. 2b zeigt eine Reihe von Zündstromimpulsen, welche an die Steuerelektrode --17-- angelegt werden und den aus Fig. 2c ersichtlichen Verlauf der Spannung am Heizkörper bewirken. Wenn ein in Fig. 3b ersichtlicher Stromimpuls zwischen Steuerelektrode und Kathode am Wellenberg der positiven Spannung angelegt wird, steht nur die Hälfte der möglichen Stromhalbwelle zur Verfügung, um den Heizkörper --11-- zu erwärmen.
Pig. 4b zeigt eine Reihe von Zündstromimpulsen, welche zeitlich so abgestimmt sind, dass sie zu Beginn einer jeden positiven Halbwelle der an den Klemmen-13 und 14-und aus Fig. 4a ersichtlichen Spannung auftreten und einen Stromfluss entsprechend Fig. 4c durch den Heizkörper bewirken. Durch Anlegen solcher Impulse an die Steuerelektrode--17--ist der steuerbare Siliziumgleichrichter fast über die gesamte positive Halbwelle stromleitend (Fig. 4c). Daraus erkennt man, dass der Phasenwinkel des Einsetzens der Führungskante eines Stromimpulses zwischen
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dem Betrag der elektrischen Energie, welche vom Heizkörper --11-- verbraucht wird und somit auch proportional der vom Wärmeumformer aufgenommenen Wärmemenge.
Die Fläche der schraffierten Bereiche in den Fig. 2c, 3c und 4c unter der Stromkurve ist proportional der vom Heizkörper verbrauchten elektrischen Energie. Verschiebt man den Phasenwinkel des Zündimpulses relativ zur positiven Halbwelle des Wechselstromes zeitlich nach vorwärts, wird die Temperatur des Wärmeumformers erhöht und ein Ausgangs-Kraftschaltglied-18-weiter in eine vorgeschobene Lage bewegt.
Nachdem die Abhängigkeit zwischen dem Zeitpunkt des Einsetzens des Zündimpulses und der positiven Halbwelle des Wechselstromes beschrieben wurde, wird nun eine Auslöseschaltung zur Erzeugung eines solchen Zündimpulses ausführlich beschrieben. Wie aus Fig. l ersichtlich, ist ein regelbarer Widerstand --19-- in Serie mit dem Kondensator --20-- an die Klemmen-13 und 14--angeschlossen.
Während einer positiven Halbwelle des Wechselstromes erhöht sich die Spannung am Kondensator so lange exponential bis die an einem spannungsempfmdlichen Gleichrichter --21--, dem Steuerelement --17-- und. der Kathode --15-- anliegende Spannung die Sperrspannung des Gleichrichters-21-überschreitet und den aus den Fig. 2b, 3b und 4b ersichtlichen Auslöseimpuls bewirkt. Der spannungsempfindliche Gleichrichter kann ein für solche Zwecke üblicherweise verwendeter Gleichrichter sein. Ein für diese Zwecke bevorzugter Gleichrichter weist im Sperrgebiet eine scharf einsetzende Durchbruchskennlinie auf.
Es wird angenommen, dass der Durchbruch der Sperrschicht des Gleichrichters --21-- bei + 20 V eintritt, so dass ein Auslöseimpuls immer dann an der Steuerelektrode --17-- anliegt, wenn die Spannung am Kondensator --20-- die Spannung von 20 V überschreitet.
Aus Fig. Sa, welche die an den Klemmen-13 und 14-anliegende Spannung zeigt und aus Fig. 5b, aus welcher ein typischer Spannungsanstieg am Kondensator --20-- ersichtlich ist, erkennt man, dass der Zündpunkt--25--diejenige Spannung ist, bei welcher der Gleichrichter--21-durchbricht und eine Stromleitung bewirkt, um den Zündimpuls zu erzeugen, welcher den steuerbaren Siliziumgleichrichter in den leitenden Zustand versetzt.
Wenn der veränderliche Widerstand-19verstellt wird, um die Zeitkonstante der aus dem Widerstand --19-- und dem Kondensator-20-
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bestehenden RC-Schaltung zu verändern, kann eine Reihe von Formen von Spannungswellen erhalten werden (Fig. 5c), welche ihre Zündpunkte jeweils bei-25, 26, 27 und 28-besitzen. Wird der Gesamtwiderstand des veränderlichen Widerstandes --19-- erhöht, wird der Zündpunkt von zwanzig Volt während der positiven Halbwelle der Wechselspannung später erreicht und dadurch der Phasenwinkel der Zündung vergrössert.
Eine Diode-29-ist parallel zum Kondensator --20-- geschaltet, um den Strom während der negativen Halbwelle des Wechselstromes am Kondensator vorbeizuführen.
Fig. 6 zeigt den aus Fig. l ersichtlichen Wärmeumformer --10-- mit dem Kraftschaltglied des Wärmeumformers, welches mit einer Rückkopplungseinrichtung verbunden ist. Zwecks Veränderung der Steuerspannungen am Kondensator -- 20-- ist der veränderliche Widerstand--19--durch einen
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--31-- ersetzt,--33-- und eine Basis --34-- aufweist. Der Widerstand zwischen Kollektor --33-- und Emitter --32-- ist eine Funktion des Basis-Emitterstromes. Durch Veränderung des Stromes von der Basis zum Emitter wird somit die erforderliche Zeit zur Aufladung des Kondensators --20-- auf zwanzig Volt verändert, welche notwendig ist, um den spannungsempfmdlichen Gleichrichter --21-- in einen leitenden Zustand zu versetzen und dadurch eine Zündimpuls an den steuerbaren Siliziumgleichrichter anzulegen.
Die Basis-34-und der Emitter --32-- sind über eine Wheatstonebrücke miteinander verbunden, welche einen variablen Widerstand --41-- mit einem Schaltarm --42-- umfasst, sowie konstante Widerstände --43, 44 und 45--, weiters an eine Wechselstromquelle angeschlossene Klemmen-46 und 47--, einen händisch regelbaren variablen Widerstand --48-- und einen temperaturabhängigen Widerstand-50-. Der variable Widerstand --41-- ist über seinen schaltarm --42-- mit der Basis --34-- verbunden, so dass eine Verstellung des Schaltarmes --42-- das Verhältnis in den beiden oberen Zweigen der Wheatstonebrücke angeordneten Widerstände verändert.
Der Widerstand --45-- in einem unteren Zweig der Brücke ist konstant. Der temperaturabhängige Widerstand --50-- und der variable Widerstand--48--sind im andern unteren Arm der Brücke angeordnet, so dass ihr Gesamtwiderstand sowohl die im umgebenden Raum gewünschte durch händische Verstellung des variablen Wiederstandes--48--einstellbare Temperatur als auch die gerade vorherrschende Temperatur des umgebenden Raumes durch die tatsächliche Höhe des temperaturempfindlichen Widerstandes --50-- anzeigt.
Das elektro-thermomechanische Stellglied --18-- des Wärmeumformers ist mit einem
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wobei eine mechanische Rückkopplung zum variablen Widerstand --41-- in der Wheatstonebrücke erfolgt.
Wenn die Summe der Widerstände des variablen Widerstandes --48-- und des temperaturabhängigen Widerstandes --50-- anzeigt, dass die Temperatur des umgebenden Raumes von der gewünschten und händisch am variablen Widerstand --48-- eingestellten abweicht und der Ofen somit nicht genügend Wärme im Vergleich zur Temperaturdifferenz zwischen der in dem umgebenden Raum vorherrschenden Temperatur und der gewünschten abgibt, wird über die Wheatstonebrücke ein Strom durch die Basis-34-und den Emitter-32-geführt, welcher proportional der Abweichung des Kraftstellgliedes des Wärmeumformers von seiner Stellung ist, die er bei dieser durch den Widerstand--48--und den temperaturabhängigen Widerstand--50-angezeigten Temperaturdifferenz einnehmen sollte.
Auf diese Weise verändert die Ausgangsspannung der Wheatstonebrücke die Lademenge des Kondensators--20--, welcher von dem an den Widerstand --30-- und den Transistor --31-- angeschlossenen Spannungsteiler geladen wird. Der von der Wheatstonebrücke gelieferte Strom steuert somit über den Phasenwinkel des Zündimpulses die Wärmemenge, welche pro Zeiteinheit durch den Heizkörper abgegeben wird. Die vom Heizkörper - erzeugte Wärmemenge bestimmt die Stellung des Kraftstellgliedes --18-- des Wärmeumformers-10--, welche wieder den Schleifarm-42-über die Rückkopplung zwischen dem Kraftstellglied und der Wheatstonebrücke verstellt.
Wenn die Umgebungstemperatur sich dem gewünschten am variablen Widerstand --48-- eingestellten Wert nähert, wird von der Wheatstonebrücke der Basis-Emitterstrom des Transistors --31-- verändert. Das Kraftstellglied - verstellt das Steuerglid --51--, um die in den umgebenden Raum abgegebene Wärmemenge proportional zur Abnahme der Temperaturdifferenz zu vermindern. Wird im umgebenden Raum die gewünschte Temperatur erreicht, ist der von der Wheatstonebrücke vorgesehene Strom entweder Null oder leicht negativ.
Diese Zuführung zum Transistor verhindert eine Leitung des
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spannungsempfindlichen Gleichrichters-21-, wodurch die Energiezuführung zum Wärmeumformer - 10-abgeschaltet wird und sein Kraftstellglied in einer Lage zum Stehen bringt, die proportional der Temperatur zwischen der gewünschten und gerade vorherrschenden Temperatur in einem Raum ist.
Tritt ein negativer Temperaturfehler auf, wird die Zündung des steuerbaren Siliziumgleichrichters verhindert und der Wärmeumformer kann sich durch Konvektion abkühlen. Die Kühlung wird so lange fortgesetzt, bis der der Schleifarm-42-in eine Lage bewegt wird, in der eine negative Spannung an den Transistor gelegt wird, durch die eine Zündung des steuerbaren Siliziumgleichrichters ermöglicht wird. Durch abwechselndes Heizen und Kühlen wird eine solche Lage über einen kleinen Bereich des Ausgangs-Kraftstellgliedes-18-aufrechterhalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektro-thermomechanisches Stellglied, insbesondere für Ausgangsschieber oder Ventile von öfen, dessen Heizdraht in Reihe mit Anode und Kathode eines steuerbaren Siliziumgleichrichters an einer Wechselstromquelle liegt, an die auch ein regelbarer Spannungsteiler angeschlossen ist, zu einem Teil desselben ein Kondensator parallelgeschaltet ist, der zum Durchlässigsteuern eines steuerbaren Siliziumgleichrichters mit einem spannungsabhängigen Gleichrichter, sowie der Steuerelektrode und der
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das von dem dem Kondensator (20) parallelgeschalteten veränderlichen Widerstand (31) des Spannungsteilers abhängige elektro-thermomechanische Stellglied (10) mit einer mechanischen, an einen Messwertumformer (40) gekoppelten Rückkopplung (18) versehen ist.