Temperaturregler mit temperaturabhängigem Widerstand als Fühler. Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturregler, der ein Ansprechinstru- ment mit mindestens einer Spule aufweist, die in Reihe mit einem als Temperaturfühler dienenden, temperaturabhängigen Widerstand geschaltet ist. Als Ansprechinstrumente kom men z. B. Kontaktgalvanometer, Differential relais oder als Kontaktgeber ausgebildete Ferraris-Instrumente in Frage.
Bei den an sich bekannten Ausführungen eines solchen Temperaturreglers sind ausser ordentlich empfindliche Ansprechinstrumente erforderlich, weil die fürdieTemperaturfühler praktisch verwendeten Metalle nur einen verhältnismässig kleinen Temperaturkoeffi zienten aufweisen, so dass die Widerstands änderungen der Temperaturfühler sich nur innerhalb enger Grenzen bewegen.
Der Temperaturregler nach der Erfindung zeichnet sich zur Vermeidung dieses Nach teils dadurch aus, dass der in der Spule des Ansprechinstrumentes fliessende Strom noch von mindestens einem andern temperaturab hängigen Widerstand beeinflusst wird, und zwar im Sinne einer Vergrösserung der Emp findlichkeit der Regelung.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 die bisher übliche Schaltung des Temperaturfühlers und der Spule des An sprechinstrumentes, Fig. 2, 4, 5, 6 und 7 beispielsweise Aus führungsformen des erfindungsgemässen Tem peraturreglers, Fig. 3 ein. Diagramm zu Fig. 1 und 2.
Im folgenden wird als Ansprechinstru- ment ein. als Kontaktgeber ausgebildetes Ferraris Instrument verwendet; es kann aber ebensogut ein Differentialrelais oder ein Kon taktgalvanometer verwendet werden. Mit dem Ansprechinstrument werden dann durch di rekte oder indirekte Steuerung die Organe geschaltet, von denen die zu regelnde Tem peratur abhängt.
In Fig. 1 ist die bei einem Temperatur regler bisher übliche Anordnung des Tempe raturfühlers 1 in Reihe mit der Spule 2 des Ansprechinstrumentes schematisch darge stellt. Eine Temperaturänderung an Fühler 1 bewirkt eine Veränderung seines Wider standes und demzufolge eine Änderung des Stromes. Für eine bestimmte Temperaturän derung an Fühler 1 ist die erzielte Strom- änderung um so grösser, je grösser das Ver hältnis des Fühlerwiderstandes zum Spulen widerstand des Ansprechinstrumentes ist.
Als Fühlerwiderstand kann irgendein Material mit einem möglichst grossen Temperatur koeffizienten, der positiv, wie z. B. bei DIe- tallen, oder negativ, wie z. B. bei Kohle oder elektronischen Halbleitern ist, verwendet wer den.
Im Diagramm Fig. 3 stellt die Kurve a die prozentuale Zunahme des Stromes Jsp für eine Vergrösserung des Fühlerwiderstan- des um 10 % in Funktion des Verhältnisses der Leistung im Fühlerwiderstand LI, zur Leistung in der Spule des Ansprechinstru- mentes Lsp dar.
Bei dem Temperaturregler nach Fig. 2 ist nun ein temperaturabhängiger Widerstand 3, z. B. eine Metalldraht-Glühlampe, parallel zur Spule 2 des Ansprechinstrumentes ge schaltet. Die Wirkungsweise dieser Anord nung ist nun die folgende: Nimmt der Wider stand des Fühlers 1 zu, so sinkt der Strom in der Spule 2 und in der Lampe 3.
Dadurch sinkt deren Glühfadentemperatur und damit der Widerstand des Glühfadens, so dass nun mehr der durch den Temperaturfühler 1 fliessende Strom sich anders aufteilt, indem durch den temperaturabhängigen Widerstand 3 relativ mehr und durch die Spule 2 des Ansprechinstrumentes relativ weniger Strom fliesst. Dadurch wird die ursprüngliche Stromänderung in der Spule 2 des Ansprech- instrumentes also verstärkt.
Infolge der Wi derstandsänderung der Lampe 3 fliesst dann ein grösserer Totalstrom als bei gleichbleiben dem Widerstand, was wieder zur Folge hat, dass der Spannungsabfall am Temperatur fühler grösser und damit der Spulenstrom nochmals verkleinert wird.
Durch die Zuschaltung des als thermischer Verstärker wirkenden temperaturabhängigen Widerstandes3 wird nun aber die Leistung im Temperaturfühler 1 erhöht. Soll die Anordnung einen Vorteil bringen, so muss die relative Ver stärkung grösser sein als die Wirkung, die bei gleicher Fühlerleistung ohne thermischen Verstärker erzielt würde. Ein Vergleich bei der Anordnungen hat also unter Zugrunde- legung eines gleichen Verhältnisses der Füh- lerleistung zur Spulenleistung zu erfolgen.
Im Diagramm Fig. 3 stellt die Kurve b einen solchen Vergleich dar, unter Verwen dung einer 3letalldraht-Glühlampe als ther- mischerVerstärker, bei einer Fadentemperatur in der Grössenordnung von 500 C und einem Verhältnis von
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zwischen Spulenwiderstand und Lampenwiderstand.
Der Verlauf dieser Kurve, bei der ebenfalls eine Vergrösserung des Fühlerwiderstandes um 10 % angenom men ist, zeigt, dass die prozentuale Zunahme des Stromes Jsp mit zunehmendem Verhältnis der Fühlerleistung zur Spulenleistung rasch auf grosse Werte zunimmt. Die durch den thermischen Verstärker erzielte Verbesserung,
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ist in Fig. 3 durch die Kurve c dargestellt, welche die erzielte Verstärkung I' in Prozent angibt. und für welche die Skala rechts dient. Daraus geht hervor, dass im vorliegenden Bei spiel mindestens eine Verstärkung von 18 erreicht wird.
Eine ähnliche Verstärkerwirkung lässt sich erzielen, wenn ein temperaturabhängiger Wi derstand mit negativem Temperaturkoeffi zienten in Reihe mit Temperaturfühler und Spule des Anspreehinstrumentes geschaltet wird. Da der Verstärker in Luft arbeitet, ist seine Temperaturänderung für eine bestimmte Stromänderung relativ gross, wodurch auch sein Widerstand sich stark ändert und eine grosse Verstärkerwirkung erzielt wird.
Der beschriebene Temperaturregler hat noch den Nachteil der Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, da der Verstärker 3 der Temperatur der Umgebung ausgesetzt ist. Man könnte dies beheben, indem man den Verstärker in ein Gehäuse mit konstanter Temperatur bringt. Viel einfacher als dies ist. jedoch die Anwendung eines zweiten, gleichen Verstärkers im Stromkreis einer zweiten Spule des Ferraris-Kontaktinstrumentes.Beide Verstärker wirken sich dann entgegen, wo durch die Temperaturabhängigkeit aufgeho- ben wird.
Durch die Gegenschaltung der bei den Spulen des Ferraris-Kontaktinstrumentes ist die Anordnung ausserdem spannungsunab hängig. Die vorbeschriebene Anordnung hat aber noch einen weiteren Vorteil. Es ist be kannt, dass jeder Temperaturregler, an dessen Genauigkeit höhere Anforderungen gestellt werden, eine Rückführung benötigt.
Diese bewirkt eine vorübergehende Verstellung des eingestellten Regelsollwertes, welche nach erfolgter Korrektur der regulierten Tempe ratur wieder verschwindet. Die Einführung einer Rückführung lässt sich nun bei der vor beschriebenen Anordnung auf sehr einfache Art ermöglichen. Beheizt man nämlich den als thermischen Verstärker wirkenden Wider stand durch eine separate Heizwicklung, so ergibt sich eine Änderung des Spulenstromes, was einer Verschiebung des Sollwertes gleich kommt.
Wird die Beheizung ausgeschaltet, so verschwindet diese Verschiebung wieder. Es ist nun lediglich nötig, diese Beheizung jeweils durch den Kontakt des Ansprech- instrumentes aus- und einschalten zu lassen, um die gewünschte Rückführung zu erzielen. Das Ansprechinstrument wird durch die infolge der Beheizung des thermisehen Ver stärkers entstehende Sollwertverschiebung vorzeitig rückgeführt und schaltet seinen Kontakt aus, bevor dies durch die Tempera turänderung des regulierten Mediums ge schieht.
Man erhält damit bei einem "Auf / Zu -Ansprechinstrument eine starre und bei einem progressiv wirkenden Ansprechinstru- ment eine elastische Rückführung. Die Rück führgrösse ist durch die Heizleistung des thermischen Verstärkers und die Rückführ- zeit durch dessen Abkühlzeit gegeben. Beide Faktoren können verändert werden, womit der Regler an jedes Objekt angepasst werden, kann.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform dar gestellt, in welcher 1 den Temperaturfühler darstellt, der in Reihe mit der Spule 2 des Ansprechinstrumentes liegt. Parallel zur Spule 2 liegt der als thermischer Verstärker be zeichnete temperaturabhängige Widerstand 3 mit positivem Temperaturkoeffizient. Der Widerstand 3 kann durch die als Rückfüh- rung wirkende Heizwicklung 4, welche über den Kontakt 6 des Ansprechinstrumentes an Spannung gelegt werden kann, beheizt wer den.
Die zweite Spule 21 des Ansprechinstru- mentes liegt in Reihe mit einem regulier baren Widerstand 5, welcher zur Einstellung der gewünschten Regel-Solltemperatur dient und parallel zum thermischen Verstärker 31, welcher seinerseits durch dieHeizwicklung 41, die ebenfalls über den Kontakt 6 des An sprechinstrumentes an Spannung gelegt wird, beheizt werden kann. Durch den Kontakt 6 des Ansprechinstrumentes wird ausserdem das Regelorgan 7 in der gewünschten Richtung betätigt.
In der Fig. 5 ist eine ähnliche Anordnung wie in der Fig. 4 dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass die thermischen Verstärker 3 und 31 einen negativen Temperaturkoeffi zienten aufweisen.
In der F'ig. 6 ist ebenfalls eine Anordnung wie in der Fig. 4 dargestellt, jedoch weisen die thermischen Verstärker 3 und 31 positi ven und die thermischen Verstärker 8 und 81 negativen Temperaturkoeffizienten auf. Die Wirkungsweise dieser Anordnungen ist nach der Beschreibung der Wirkungsweise der grundsätzlichen Anordnung gemäss der Fig. 2 ohne weiteres verständlich.
Verwendet man als Ansprechinstrument ein Ferraris-Kontaktinstrument, so ist dessen Empfindlichkeit durch seine Anlaufleistung aus dem Stillstand und diese wieder durch die Haftreibung gegeben. Es lässt sich damit eine bestimmte Empfindlichkeit erzielen. Wünscht man diese noch weiter zu erhöhen, so ist dies durch folgende Massnahme möglich: Das bewegliche System des Ansprechinstru- mentes wird mit einer Feder gekoppelt, so dass jeder Drehmomentsänderung eine be stimmte Änderung des Drehwinkels ent spricht.
Durch einen in der F'ig. 7 mit 10 bezeichneten Zeitschalter wird nun mit einer bestimmten Periode abwechslungsweise die eine und die andere der beiden Rückführhei- zungen mit reduzierter Heizleistung einge schaltet, wodurch das bewegliche System in eine periodische Schwingung verfällt. Zur Einstellung der reduzierten Heizleistung dient dabei der einstellbare Widerstand 11. Die Abstände der beiden Kontakte des Kon taktinstrumentes können nun so klein ge wählt werden, dass ohne eine Verschiebung des Sollwertes gerade noch keine Berührung eintritt, jedoch bei der kleinsten Verschie bung schon Kontakt entsteht.
Auf diese Weise muss nicht erst die Haftreibung Über wunden werden, deren Wirkung wird viel mehr durch die aufgedrückte mechanische Schwingung beseitigt. Daraus ergibt sieh eine Erhöhung der Empfindlichkeit der ganzen Anordnung.
Die besehriebeneRegleranordnung hat ver schiedene Anwendungsmöglichkeiten. So kann damit beispielsweise eine Temperatur konstant behalten werden, sei es durch Auf/Zu-Rege- lung mit starrer Rückführung oder durch progressive Regelung mit elastischer Riick- führung. Anderseits kann damit eine regu lierte Temperatur in Funktion einer zweiten Temperatur verstellt werden, indem an Stelle des Einstellwiderstandes 5 ein zweiter Tem peraturfühler eingefügt wird.
Ferner kann parallel zum Ferraris-Kon- taktinstrument ein Ferraris-Instrument mit Temperaturskala angeordnet werden, zwecks Fernanzeige der Temperatur. Es ist ebenfalls einleuchtend, dass eine Fernverstellung der einregulierten Temperatur von einem beliebi gen Orte aus ohne Schwierigkeiten möglich ist.
Temperature controller with temperature-dependent resistance as a sensor. The invention relates to a temperature regulator which has a response instrument with at least one coil which is connected in series with a temperature-dependent resistor serving as a temperature sensor. As a response instruments men z. B. Contact galvanometer, differential relay or Ferraris instruments designed as contactors in question.
In the known designs of such a temperature controller, extremely sensitive response instruments are required because the metals practically used for the temperature sensors only have a relatively small temperature coefficient, so that the changes in resistance of the temperature sensors are only within narrow limits.
To avoid this disadvantage, the temperature controller according to the invention is characterized in that the current flowing in the coil of the response instrument is influenced by at least one other temperature-dependent resistor, in the sense of increasing the sensitivity of the control.
In the drawing: Fig. 1 shows the conventional circuit of the temperature sensor and the coil of the to speaking instrument, Fig. 2, 4, 5, 6 and 7, for example, from implementation of the inventive temperature controller, Fig. 3 a. Diagram for FIGS. 1 and 2.
In the following, a. Ferraris instrument designed as a contactor used; however, a differential relay or a contact galvanometer can be used as well. With the response instrument, the organs on which the temperature to be regulated depends on are then switched by direct or indirect control.
In Fig. 1, the usual arrangement of the temperature sensor 1 in a temperature controller in series with the coil 2 of the response instrument is schematically Darge provides. A change in temperature at sensor 1 causes a change in its counterpart and consequently a change in the current. For a certain change in temperature at sensor 1, the change in current achieved is greater, the greater the ratio of the sensor resistance to the coil resistance of the response instrument.
Any material with the largest possible temperature coefficient, which is positive, such as. B. in DIe- tallen, or negative, such as. B. in coal or electronic semiconductors is used who the.
In the diagram of Fig. 3, curve a shows the percentage increase in the current Jsp for an increase in the sensor resistance by 10% as a function of the ratio of the power in the sensor resistance LI to the power in the coil of the response instrument Lsp.
In the temperature controller according to FIG. 2, a temperature-dependent resistor 3, for. B. a metal wire incandescent lamp, parallel to the coil 2 of the response instrument switched ge. The mode of operation of this arrangement is as follows: If the resistance of the sensor 1 increases, the current in the coil 2 and in the lamp 3 decreases.
This reduces their filament temperature and thus the resistance of the filament, so that the current flowing through the temperature sensor 1 is now divided differently by relatively more current flowing through the temperature-dependent resistor 3 and relatively less current flowing through the coil 2 of the response instrument. This increases the original current change in coil 2 of the response instrument.
As a result of the change in resistance of the lamp 3, a greater total current then flows than if the resistance remained the same, which again means that the voltage drop across the temperature sensor is greater and thus the coil current is reduced again.
By connecting the temperature-dependent resistor 3, which acts as a thermal amplifier, the power in the temperature sensor 1 is increased. If the arrangement is to be advantageous, the relative gain must be greater than the effect that would be achieved with the same sensor power without a thermal amplifier. A comparison of the arrangements must therefore be made on the basis of the same ratio of the sensor output to the coil output.
In the diagram of FIG. 3, curve b represents such a comparison, using a 3-metal-wire incandescent lamp as a thermal amplifier, at a filament temperature of the order of magnitude of 500 ° C. and a ratio of
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between coil resistance and lamp resistance.
The course of this curve, in which an increase in the sensor resistance of 10% is also assumed, shows that the percentage increase in the current Jsp increases rapidly to large values with an increasing ratio of the sensor output to the coil output. The improvement achieved by the thermal amplifier,
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is shown in Fig. 3 by curve c, which indicates the gain I 'achieved in percent. and for which the scale on the right is used. This shows that in the present example at least a gain of 18 is achieved.
A similar amplifying effect can be achieved if a temperature-dependent resistor with a negative temperature coefficient is connected in series with the temperature sensor and coil of the response instrument. Since the amplifier works in air, its temperature change is relatively large for a certain change in current, whereby its resistance also changes greatly and a large amplifier effect is achieved.
The temperature controller described also has the disadvantage of being dependent on the ambient temperature, since the amplifier 3 is exposed to the temperature of the environment. This could be remedied by placing the amplifier in a constant temperature enclosure. Much easier than this. However, the use of a second, identical amplifier in the circuit of a second coil of the Ferraris contact instrument. Both amplifiers then counteract each other, where the temperature dependence is canceled out.
Because the coils of the Ferraris contact instrument are connected in opposition, the arrangement is also independent of the voltage. The above-described arrangement has another advantage. It is known that every temperature controller, the accuracy of which is more demanding, needs a feedback.
This causes a temporary adjustment of the set control value, which disappears again after the regulated temperature has been corrected. The introduction of a return can now be made possible in a very simple manner with the arrangement described above. Namely, if you heated the resistance acting as a thermal amplifier stood by a separate heating winding, there is a change in the coil current, which is equivalent to a shift in the setpoint.
If the heating is switched off, this shift disappears again. It is now only necessary to have this heating switched off and on by the contact of the response instrument in order to achieve the desired feedback. The response instrument is returned prematurely by the setpoint shift resulting from the heating of the thermal amplifier and switches off its contact before this happens due to the temperature change of the regulated medium.
With an “open / close response instrument” one obtains a rigid feedback and with a progressively acting response instrument an elastic feedback. The feedback variable is given by the heating power of the thermal amplifier and the feedback time by its cooling time. Both factors can be changed , with which the controller can be adapted to each object.
In Fig. 4, an embodiment is shown, in which 1 represents the temperature sensor, which is in series with the coil 2 of the response instrument. Parallel to the coil 2 is the thermal amplifier be recorded temperature-dependent resistor 3 with a positive temperature coefficient. The resistor 3 can be heated by the heating coil 4 acting as a feedback, which can be connected to voltage via the contact 6 of the response instrument.
The second coil 21 of the response instrument is in series with an adjustable resistor 5, which is used to set the desired control setpoint temperature and parallel to the thermal amplifier 31, which in turn through the heating coil 41, which is also via the contact 6 of the response instrument Voltage is applied, can be heated. The control element 7 is also actuated in the desired direction through the contact 6 of the response instrument.
FIG. 5 shows an arrangement similar to that in FIG. 4, but with the difference that the thermal amplifiers 3 and 31 have a negative Temperaturkoeffi cients.
In the fig. 6 is also an arrangement as shown in FIG. 4, but the thermal amplifiers 3 and 31 have positive temperature coefficients and the thermal amplifiers 8 and 81 have negative temperature coefficients. The mode of operation of these arrangements can be easily understood after the description of the mode of operation of the basic arrangement according to FIG.
If a Ferraris contact instrument is used as a response instrument, its sensitivity is given by its starting performance from standstill and this again by the static friction. A certain sensitivity can be achieved with it. If you want to increase this even further, this is possible by the following measure: The moving system of the response instrument is coupled with a spring so that every change in torque corresponds to a certain change in the angle of rotation.
By one in the F'ig. 7 with 10 designated time switch, one and the other of the two return heaters with reduced heating power is now switched on alternately with a certain period, whereby the movable system falls into a periodic oscillation. The adjustable resistor 11 is used to set the reduced heating output. The distances between the two contacts of the contact instrument can now be selected so small that no contact occurs without a shift in the setpoint, but contact is made with the slightest shift.
In this way, the static friction does not have to be overcome first, its effect is much more eliminated by the mechanical vibration that is pressed on. This results in an increase in the sensitivity of the entire arrangement.
The described controller arrangement has various possible uses. Thus, for example, a temperature can be kept constant, be it through open / close control with rigid feedback or through progressive control with elastic feedback. On the other hand, a regulated temperature can be adjusted as a function of a second temperature by inserting a second temperature sensor instead of the setting resistor 5.
Furthermore, a Ferraris instrument with a temperature scale can be arranged parallel to the Ferraris contact instrument for the purpose of remote display of the temperature. It is also evident that the set temperature can be adjusted remotely from any location without difficulty.