Regelungsvorrichtung. Es sind bereits Regelsysteme bekanntge worden, bei denen die zu regelnde physika lische Grösse über einen Fühler einen in einen Brücken- bzw. Differentialschaltung vorgese henen Widerstandsgeber mit Schleifkontakt beeinflusst und die Regelung vermittels eines Null- bzw. Differentialrelais erfolgt. Für den Fall, dass für den Widerstandsgeber nur eine geringe Messleistung zulässig ist, wie zum Bei spiel bei Widerstandsthermometern, oder dass nur eine geringe Änderung der Messleistung zur Verfügung steht, wie zum Beispiel bei Dehnungsmessern mit Widerstandsdrähten, sind diese Regelsysteme für die direkte Steue rung von technisch genügend robusten Null relais bzw. Differentialrelais nicht geeignet.
Es werden dann vielmehr empfindliche Dreh spul- bzw. Kreuzspulinstrumente benötigt, welche jedoch zur Betätigung von Steuerkon takten einer mechanischen Abtasteinrichtung bedürfen. Dies hat zur Folge, dass sie für Re gelanlagen mit rasch veränderlichen Zustands grössen nicht geeignet sind. Andere Abtast- arten, wie photoelektrische oder mit Hoehfre- quenz, haben den Nachteil, dass die zur Anwen dung kommenden Glühlampen und Elektro nenröhren nur eine verhältnismässig kurze Lebensdauer aufweisen, so dass sie zu wenig betriebssicher sind.
Der gleiche Nachteil tritt bei der Verwendung von Elektronenröhren verstärkern auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung, bei welcher die erwähn ten Nachteile dadurch umgangen sind, dass ein in einem gleichstromgespiesenen Messkreis vorgesehener Widerstandsgeber über minde stens einen magnetischen Verstärker ein die Stellung eines Regelorganes beeinflussendes Relais steuert.
In der Zeichnung sind einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes darge stellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Regelsystem für die Temperatur regulierung einer thermischen Anlage mit Auf-Zu-Regelung, Fig. 2 eine starre Rückführung beim Re gelsystem gemäss der Fig. 1, Fig. 3 eine Ausführung eines Regelsystems mit Differentialschaltung, Fig. 4 ein progressiv wirkendes Regel system mit einem eine Kompensationswick lung aufweisenden Relais, Fig. 5 ein progressiv wirkendes Regel system mit zwei magnetischen Verstärkern,
Fig. 6 ein progressiv wirkendes Regel system mit elektrischer Rückführung auf den Messkreis, Fig. 7 ein progressiv wirkendes Regel system mit auf einen magnetischen Verstär ker wirkender Rückführung und Fig. 8 ein progressiv wirkendes Regel system mit elastischer Rückführung.
In der Fig.1 ist als Beispiel ein Regel system für die Temperaturregulierung einer thermischen Anlage dargestellt. Die zu re gelnde Temperatur wird mit einem tempera turempfindlichen Widerstand 1 abgefühlt, der im einen Zweig eines als Messbrücke ausgebil- deten Messkreises angeordnet ist. Diese Mess- brücke enthält drei feste Widerstände 2, 3 und 4 und einen veränderlichen Widerstand 5, der zur Einstellung des Sollwertes der zu re gelnden Temperatur dient. Die Messbrücke wird von einem Wechselstromnetz über einen.
Transformator 6, der mit einer eine Mittel anzapfung 7 aufweisende Sekundärwicklung versehen ist, und einem Gleichrichter 8 mit .Gleichstrom gespiesen. An die Ausgangs diagonale der Messbrücke ist über einen Regu lierwiderstand 9 eine Steuerwieklung 10 eines magnetischen Verstärkers 11 angeschlossen. In der Zeichnung ist der magnetische Verstär ker durchgehend in einer an sich bekannten Selbstsättigungsschaltung, welche vorzugs weise zur Anwendung kommt, geschaltet; er könnte aber ebensogut in einer Selbsterre- gungsschaltung geschaltet sein.
Der magne tische Verstärker 11 weist zwei an den Aussen klemmen der '.Sekundärwicklung des Trans formators 6 über je einen Gleichrichter 12 angeschlossene Lastwicklungen 13 auf; deren andere Enden miteinander verbunden sind und über ein die Belastung bildendes polari siertes Relais 11, welches beispielsweise einen Ölbrennerautomaten 15 steuert, nach der Mittelanzapfung 7 der Transformatorsekun- därwicklung geführt sind.
Das Relais 11 wird somit durch pulsierenden Gleichstrom gespie- sen. Ein zu ihm parallel geschalteter Glät- tungskondensator 16 sorgt einerseits dafür, dass die Gleichstromimpulse abgeflacht wer den, damit das Relais ohne Flackern schaltet und anderseits dient er dazu, eine uner wünschte Beeinflussung der Stromänderungs- geschwindigkeit durch die Relaisinduktivität zu verhindern, wodurch eine instabile Be triebsweise des letzteren vermieden wird.
Bei niedrigen Impedanzwerten der Relaisspule 1.1 würde die erforderliche Kapazität verhältnis mässig gross ausfallen. In diesem Falle kann der Kondensator 16 durch einen Gleichrichter ersetzt werden, welcher einen Rückweg für die Entladung der Relaisinduktivität bildet. Es ist selbstverständlich, dass am magnetischen Verstärker alle diejenigen Massnahmen zur Anwendung komen können, die für eine zweck- mässige Einstellung des Arbeitspunktes und für die Erhöhung der Empfindlichkeit von Nutzen sind.
Beispielsweise kann die Charak teristik des magnetischen Verstärkers durch eine positive oder negative Gleichstromvor- erregung oder durch Vorerregung vermittels eines permanenten Magneten in einem ge wünschten Sinne verschoben werden. In der Fig.1 ist ein zu diesem Zwecke dienender Vorerregungskreis eingezeiehnet, bestehend aus einer über einen Vorwiderstand 17 an den Gleichrichter 8 angesehlossenen Vorerregungs- wicklung 18.
Vermittels einer vom Laststrom abhängigen Rückkopplung ist es ferner mög lich, die Steilheit der Charakteristik zu er höhen. Bei starker Rüekkopplung kann sogar ein Kippvorgang eintreten, der besonders beim Betrieb eines Relais vorteilhaft ist, da dasselbe dann schneller und mit grösserem Kontaktdruck arbeitet. In der Fig. 1 ist ein diesem Zweck dienender Rückkopplungskreis ebenfalls dargestellt, bestehend aus einer über einen Regulierwiderstand 19 parallel zum Re lais 11 geschalteten R.üekkopplungswickhing 20.
Die Wirkungsweise der besehriebenen Ein richtung ist nun die folgende: Weist die Tem peratur des Mediums der zu überwachenden thermischen Anlage gerade den am Regulier widerstand 5 eingestellten Sollwert auf, so ist die Messbrücke abgegliehen und die Steuer wicklung 10 erhält keinen Steuerstrom. Die Verhältnisse sind niui derart gewählt, dass in diesem Falle die Erregung des Relais 1-1 klein ist, so dass der Ölbrennerautomat 15 ausser Be trieb ist.
Sinkt nun die Mediumtemperatur, so sinkt auch der Widerstandswert am tem peraturempfindlichen Widerstand 1, das Mess- brückengleiehgewicht ist gestört und die Steuerwicklung 9 erhält einen Steuerstrom, der so gerichtet ist, dass im Laststromkreis des magnetischen Verstärkers 11 ein stärkerer Strom fliesst. Das Relais 1.1 wird daher erregt und der Ölbrennerautomat 15 in Betrieb ge setzt. Sobald das Medium die Solltemperatur wieder erreicht oder überschreitet, wird der Ölbrennerautomat 15 sofort wieder ausser Be trieb gesetzt.
Infolge der grossen durch den ma gnetisehen Verstärker erzielbaren Leistungs verstärkung ergibt, sich eine grosse Regler empfindlichkeit. Dies hat zur Folge, dass die Sehaltdifferenz, das heisst die Temperatur < lifferenz, welche zwischen dem Ein- und Aus schalten des Relais 14 liegt, verhältnismässig klein ist. Es gibt nun Fälle, zum Beispiel ge rade bei Ölbrennern, in welchen die kleine '-,'clialtdifferenz eine hohe Schaltfrequenz zur Folge hätte, wodurch das Relais 14 unzulässig beansprucht würde.
Dieser Betriebszustand kann jedoch leicht dadurch vermieden werden, dass die Reglerempfindlichkeit vermittels des Rückkopplungsregulierwiderstandes 19 ver mindert wird. Der gleiche Effekt kann auch durch Einregulierung des Regulierwiderstan des 9 im Steuerstromkreis oder durch einen zur Steuerwicklung 10 parallel angeordneten Widerstand erzielt werden. Im ersten Fall wird die Zeitkonstante des magnetischen Ver stärkers kleiner, im zweiten Fall grösser. Bei bestimmten thermischen Anlagen kann nun aber der Fall eintreten, dass die Schaltfrequenz zu niedrig ist.
Dies kann beispielsweise bei der Auf-Zu-Steuerung der Zugluftklappe eines Kokskessels einen schlechten Verbrennungs- wirkungsgrad zur Folge haben. Ausserdem würde die Mediumtemperatur verhältnismässig stark schwanken. Für solche Fälle ist vorge sehen, dass die in der Fig. 1 dargestellte Reg- lereinriehtung mit einer starren Rückfüh rung ausgerüstet wird.
In der Fig. 2 ist eine derart ergänzte Reglereinrichtung@dargestellt. Das Relais 14 steuert hier einen Stromkreis, in welchem ein Zugluftklappen-Elektromagnet 40 eingeschaltet ist. In der Messbrücke sind nun zwei temperaturempfindliche Widerstände 21 bzw. 22 eingeschaltet, von denen der Wi derstand 22 durch einen parallel zum Elek tromagneten 40 geschalteten Heizwiderstand 23 jeweils dann geheizt wird, wenn die Zug luft.klappe offen ist, das heisst, wenn der Reg ler die Wärmezufuhr in die thermische An- lag@e einleitet.
Der Widerstand 21 bleibt hin gegen unbeheizt und dient zur Kompensation der Umgebungstemperatur. Die beiden Wider stände 21, 22 befinden sich in zwei elektrisch einander entgegenwirkenden Zweigen der Messbrücke, so dass Änderungen der Umge bungstemperatur den Abgleich der Messbrücke und demzufolge die Regelgenauigkeit nicht be einflussen.
Der beheizte Rückführwiderstand 22 und der das Medium überwachende tem peraturempfindliche Widerstand 1 befinden sich in zwei elektrisch im gleichen Sinne wir kenden Zweigen der Messbrücke. Sinkt nun die Mediumtemperatur unter den Sollwert, so bewirkt der Widerstand 1 über das Relais 14 und den Elektromagneten 40 das Öffnen der Zugluftklappe. Zugleich wird auch der Heiz widerstand 23 eingeschaltet, welcher den Rück führwiderstand 22 aufzuheizen beginnt. Ohne Rückführung würde nun die Schliessung der Zugluftklappe erst nach längerer Zeit erfol gen, die durch die Trägheit der betrachteten thermischen Anlage bedingt ist.
Durch die be schriebene Rückführung wird die Messbrücke derart beeinflusst, dass die Zugluftklappe vor zeitig geschlossen wird. Analog liegen die Ver hältnisse beim Überschreiten des Temperatur sollwertes. Daraus ergibt sich auch in diesem Falle eine Regulierung mit verhältnismässig hoher Schaltfrequenz. Letztere ist durch die Zeitkonstante des Rückführungskreises we sentlich mitbestimmt. Durch zweckmässige Wahl dieser Zeitkonstante hat man es daher in der Hand, die Schaltfrequenz ebenfalls zu beeinflussen.
Die beschriebene Rückführwir- kung kann auch dadurch erzielt werden, dass der Heizwiderstand 23 während der Schliess stellung der Zugluftklappe eingeschaltet, das heisst mit den komplementären Impulsen ge arbeitet wird. Statt dem temperaturempfind lichen Widerstand 22 ist er in diesem Fälle jedoch dem Widerstand 21 zugeordnet. Zufolge der Auf-Zu-Arbeitsweise des beschriebenen Reglers. ist die - Heizung des Rückführwider- standes 22 bzw. des komplementären Rück führwiderstandes 21 von der Belastung der thermischen Anlage abhängig.
Zu jeder Wi derstandsänderung des Rückführwiderstandes gehört eine entsprechende Widerstandsände rung des Widerstandes 1 und damit eine ent sprechende Änderung der zu regelnden Zu standsgrösse, welche von den Belastungsände rungen abhängt. Es ist demnach zufolge der Rückführung eine Ungleichförmigkeit der zu regelnden Zustandsgrösse vorhanden, so dass letztere nur im Rahmen dieser Ungleichför migkeit konstant gehalten wird.
Dieser Nach teil kann leicht durch eine elastische Rück- führung umgangen werden. Dazu genügt es, den bisher unbeheizten Widerstand 21 eben falls mit einem Heizwiderstand auszurüsten, welcher gleichzeitig mit dem Rückführheiz- widersta.nd 23 ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass im quasi statio nären Zustand der Einfluss des Rückführ- widerstandes 22 auf die Messbrücke kompen siert wird, wodurch die Ungleichförmigkeit verschwindet.
Die Zeitkonstante dieser Kom pensationseinrichtung ist grösser gewählt als diejenige der Rückführung, so dass während den dynamischen Regelausgleichsvorgängen eine vorübergehende stabilisierende Ungleich förmigkeit auftritt. Der Endwert der zu re gulierenden Zustandsgrösse wird hingegen jetzt genau auf den Sollwert einreguliert.
In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungs form des Regelsystems unter Verwendung eines als Differentialschaltung ausgebildeten Messkreises an Stelle der in den Fig. 1 bis 2 zur Anwendung gekommenen Messbrücke dar gestellt.
Die Differentialschaltung besteht aus zwei zueinander parallel geschalteten Strom kreisen, die an der Gleichspannung des Gleich richters 8 liegen und von denen der eine den Widerstand 1, eine Steuerwicklung 101 und einen temperaturempfindlichen Widerstand 24 und der andere einen Sollwerteinstell- widerstand 25, eine Steuerwicklung 102 und einen temperaturempfindlichen Widerstand 26 enthält. Abgesehen von den beiden Steuer- wicklungen, die einander entgegengeschaltet sind, entspricht die übrige Schaltung der jenigen der Fig. 2.
Der Widerstand 24 wird durch einen zum Elektromagneten parallel ge schalteten Heizwiderstand 27 beheizt, und dient als. Rückführwiderstand, während der Widerstand 26 als Kompensationswiderstand dient. Letzterer kann, aus den oben bereits angeführten Gründen, durch einen in der Fig. 3 angedeuteten Heizwiderstand 28 eben falls beheizt sein. Diese Einrichtung wirkt wie folgt: Falls die zu regelnde Zustandsgrösse, im betrachteten Fall also die Temperatur einer thermischen Anlage, dem am Einstellwider stand 25 eingestellten Sollwert gerade ent spricht, heben sich die magnetischen Wirkun gen der beiden Steuerwicklungen 101, 102 auf und die Erregung des Relais 14 ist klein.
Bei einer Abweichung vom Sollwert überwiegt die Wirkung der einen oder der andern Steuer wicklung je nach Richtung der Abweichung. Die Verhältnisse sind nun so gewählt, dass bei Unterschreitung des Sollwertes das Relais 14 erregt wird, während es bei Überschreitung des Sollwertes wenig erregt bleibt. Die Ver hältnisse sind somit jenen bei der Brücken schaltung des Messkreises völlig analog. Auch der Rückführheizwiderstand 27 wird wie derum während der Erregung des Elektro magneten 20 eingeschaltet. Mit der gleichzeiti gen Beheizung des Kompensationsheizwider- standes 28 erhält man wiederum eine ela stische Rückführung.
Ohne diese Beheizung ist die Rückführung starr. Auch hier können die beiden Widerstände 24, 26 vertauscht und die komplementären Impulse des Relais 14 für die Beheizung verwendet werden.
In der Fig.4 ist eine Weiterentwicklung der in der Fig.1 dargestellten Einrichtung zu einem progressiv wirkenden Regler gezeigt. Diese Regelwirkung wird dadurch erzielt, dass das Relais 14 mit einem Umschaltkontakt ver sehen ist und vermittels einer über einen Vorwiderstand 30 an den Gleichrichter 8 ange schlossenen Erregerwiekhmg 31 eine Vorerre- gung erhält. Der Erregungswicklung 31 ist ein Glättungskondensator 32 parallel geschal tet. Die Relaisspule 14 erhält hier wiederum den Erregerstrom vom magnetischen Verstär ker 11.
Der Umschaltkontakt 29 kann zwei Endstellungen und eine neutrale Mittelstel lung einnehmen. Das Regelorgan der zu re gelnden Anlage, beispielsweise ein Ventil 33, wird durch einen Umkehrmotor 34 verstellt, der zwei Statorwicklungen für die zwei Dreh richtungen des Rotors aufweist. Weist die zu regelnde Zustandsgrösse den Sollwert. auf, so sind die Verhältnisse so gewählt, dass der Umschaltkontakt 29 die neutraleMittelstellung einnimmt. Das Ventil 33 bleibt dann in der gerade eingenommenen Stellung. Dies wird dadurch erreicht, dass in diesem Falle die aus der Relaisspule 14 und der Erregungswicklung 31 resultierende Erregung durch entspre chende Dimensionierung des Vorwiderstandes 30 zu Null gemacht wird.
Bei einer Abwei chung der zu regelnden Zustandsgrösse vom Sollwert nimmt der vom magnetischen Ver stärker 11 gelieferte Strom in der Relais spule 14 je nach der Richtung der Abweichung zu bzw. ab, wobei dann die Erregung der Relaisspule 14 oder diejenige der Erreger wicklung 31 überwiegt. Je nachdem nimmt der Umschaltkontakt 29 die eine oder die an dere Endstellung ein und der Umkehrmotor 34 schliesst oder öffnet das Ventil 33, und die dabei bewirkte Änderung in der Medium zufuhr zur überwachten Anlage wirkt der :Abweichung der zu regelnden Zustandsgrösse entgegen.
Statt das Relais 14 mit einer Erre gerwicklung auszurüsten, kann dasselbe auch mit einem permanenten Magneten versehen sein, wobei dessen Wirkung so gewählt wird, dass sie beim Sollwert durch die Erregung der Relaisspule 14 wiederum gerade aufge hoben wird. Es ist ferner auch vorgesehen, den Anker des Relais 14 derart unter Feder wirkung zu halten, dass die neutrale Stellung des Umschaltkontaktes beim Sollwert einge nommen wird. Zur Erzielung der Stabilität des Regelvorganges ist bei der hier beschrie benen Einrichtung ein Mindestwert der Un- empfindlichkeitszone notwendig, das heisst jener Zone der zu regelnden Zustandsgrösse, innert welcher der Umschaltkontakt 29 von einer Endstellung zur andern wandert.
Die Einregulierung dieser Unempfindlichkeitszone erfolgt durch passende Wahl entweder des Regulierwiderstandes 19 im Rückkopplungs kreis des magnetischen Verstärkers 11 Oder- des Regulierwiderstandes 9 im Steuerstrom kreis desselben. Statt des in Reihe geschal teten Regulierwiderstandes 9 kann natürlich auch ein zur Steuerwicklung parallel geschal teter Widerstand vorgesehen sein.
In der Fig.5 ist eine ähnliche Einrich tung wie in der Fig. 4 dargestellt, wobei jedoch zwecks BefriedigLnmg von höchsten Anforde rungen an die Regelgenauigkeit zwei auf ein Relaisspulen 14 und 141 aufweisendes Relais wirkende magnetische Verstärker der bereits beschriebenen Art in einer von der Speisespan nung unabhängigen Schaltung zur Anwen dung kommen. Dabei erhält die Relaisspule 14 den Erregerstrom vom magnetischen Verstär ker 11 und die Relaisspule 141 den ihrigen vom magnetischen Verstärker 111 und die beiden Relaisspulen wirken magnetisch einan der entgegen.
Die in Reihe geschalteten Steuer wicklungen 10 und 101 der beiden Verstärker sind über den Regulierwiderstand 9 am Brük- kenausgang angeschlossen und bezüglich der Durchflussrichtung des Brückenausgangsstro- mes so geschaltet, dass sie die Verstärker in entgegengesetzter Richtung aussteuern. Weist nun die zu regelnde Zustandsgrösse den Soll wert auf, so ist die Messbrücke abgeglichen, der Brückenausgangsstrom Null und somit der Strom in den beiden Steuerwicklungen 10 und 101 ebenfalls Null.
Die Ausgangs ströme der beiden Verstärker 11 und 111 in den Relaisspulen 14 und 141 sind gleich gross, so dass sich ihre Wirkung auf das Relais aufhebt, und der Umschaltkontakt 29 befindet sich in der Mittellage. Dieser Zustand bleibt hier auch bei Schwankungen der Speisespan nung aufrechterhalten, da die Verstärkeraus- gangsstrÖme sich stets gleich verändern. Bei einer Abweichung der zu regelnden Zustands grösse vom Sollwert wird die Messbrücke ver stimmt, und es entsteht ein Brückenausgangs strom, welcher die beiden- Verstärker 11, 111 in entgegengesetzter Richtung aussteuert, so dass der Ausgangsstrom des einen Verstärkers zunimmt, während derjenige des andern ab nimmt.
Dabei überwiegt die magnetische Wir kung der den grösseren Strom führenden Re laisspule und der Umschaltkontakt wird in die eine Endstellung geführt. Dieser Vorgang spielt sich je nach Vorzeichen der Abweichung der zu regelnden Zustandsgrösse in der einen oder in der andern Richtung ab, womit die gewünschte Regelwirkung erzielt ist. Es ist selbstverständlich, dass eine entsprechende Schaltung auch mit einem als Differential- sclialtung ausgebildeten Messkreis ausführbar ist.
Wird ferner der Umschaltkontakt 29 nur mit einem festen Kontakt benutzt, so lässt sich die hier beschriebene Einrichtung auch für Auf-Zu-Regler mit dem Vorteil der Span nungsunabhängigkeit verwenden. Del Vorteil der Spannungsunabhängigkeit kann auch bei Verwendung nur eines einzigen magnetischen Verstärkers erzielt werden.
Da die Netzspan- nimgsschwankungen über zwei Wege auf den magnetischen Verstärker wirken, nämlich einerseits über die Lastwicklungen 13 und an derseits über die Vorerregungswicklung 18, so ist es möglich, durch zweckmässige Ein stellung des Vorerregungsstromes eine Kom pensation dieser beiden Wirkungen zu erzie len. Dadurch tritt dann allerdings eine Ver schiebung der Verstärkercharakteristik ein, so dass die Regelung der Zustandsgrösse nicht mehr um den Sollwert erfolgen würde.
Dieser Nachteil wird dadurch umgangen., dass die die Sollwerteinhaltung bewirkende Verschiebung der Charakteristik, die unabhängig von der Netzspannung konstant sein muss, durch einen auf die magnetischen Kreise des Verstärkers wirkenden permanenten Magneten erzeugt wird.
Die in der Fig.5 dargestellte Einrich tung weist keine Rückführung auf. Sie ar beitet daher bei regeltechnisch ungünstigen Eigenschaften der zu regelnden Anlage nur bei langsam laufendem Ventil stabil. Durch Einbau einer starren Rückführung, welche durch ein den Messkreis beeinflussendes und durch das Regelorgan verstelltes Rückführ- potentiometer gebildet ist, kann die Einrich tung für allgemeinere Zwecke brauchbar ge macht werden. Eine solche Ausführung ist in der Fig. 6 dargestellt.
Im Messkreis, der wie derum als Messbrücke oder als Differential system ausgebildet sein kann, ist ein zur Ein stellung der Rückführgrösse dienender Regu lierwiderstand 35 mit dazu parallelliegendem Rückführpotentiometer 36 vorgesehen, wobei der Mittelabgriff des letzteren durch den Umkehrmotor 34 verstellt wird und zur Aus übung der Rückführung dient. Diese wirkt auf die Steuerwicklung 10 des magnetischen Verstärkers und erfolgt derart, dass sie der Verstimmung des Messkreises entgegenwirkt.
Je nach der Belastung der zu regelnden An lage nimmt das Regelorgan und damit auch das Rückführpotentiometer 36 bei Gleichge wicht zwischen Belastung und Medium zufuhr verschiedene Stellungen ein: Je nach Belastung entsprechen den v ersehie- denen Widerstandswerten des Geberwider standes 1 entsprechend verschiedene Werte der Zustandsgrösse, worauf die Ungleich förmigkeit des Reglers zu erkennen ist. Die stabilisierende Wirkung der Ungleichför migkeit gestattet auch bei regeltechnisch un günstigen Eigenschaften der zu regelnden An lage die Durchführung von raschen Regulier vorgängen.
Das Relais 14 ist durch Mittel, die bei der Einrichtung gemäss der Fig. 4 bereits erwähnt wurden, derart justiert, dass die neu trale Stellung des Umschaltkontaktes beim Sollwert eingenommen wird. Die gleiche Ju stierung des Relais 14 kommt auch bei den beiden folgenden Ausführungsbeispielen zur Anwendung.
In der Fig.7 ist eine der Fig. 6 entspre chende Einrichtung dargestellt, bei welcher jedoch der Messkreis und der Rückführkreis voneinander elektrisch getrennt sind, was den Vorteil hat, da.ss man beim Entwurf des Mess- kreises eine grössere Freiheit hat. Dies ist be sonders dann wichtig, wenn der Messkreis mit mehreren Geberwiderständen 1 ausgerüstet ist..
In der Fig.7 besteht der Rüekführkreis aus einer über einen Vorwiderstand 37 an den Gleichrichter 8 angeschlossenen und vier feste Widerstände aufweisenden Brücke 38, deren Ausgangsdiagonale an ein Rückführpotent.io- meter 39 angeschlossen ist, dessen Mittel abgriff durch das Regelorgan bzw. durch den Umkehrmotor 34 verstellt wird. Der Brücken ausgang ist. über eine auf dem magnetischen Verstärker 11 zusätzlich angebrachte Vorerre- gungswicklung 18?, die auf die Charakteristik des magnetischen Verstärkers ähnlich wirkt wie die Vorerregungswicklung 18, angeschlos sen.
Die vier festen Widerstände der Brücke 38 werden nun derart gewählt, dass letztere für diejenige Stellung des Rückführpotentio- meters 39 bzw. des Regelorganes abgeglichen ist, für welche kein Einfluss der Ungleichförmig keit auf die zu regelnde Zustandsgrösse er wünscht ist. In Abhängigkeit von der Stel lung des Regelorganes wird die Vorerregungs- wicklung 182 von einem die Verstärkercharak- teristik derart beeinflussenden Strom durch flossen, dass der Verstimmung des Messkreises entgegengewirkt wird.
Durch Einstellung des Vorwiderstandes 37 kann die Rückführwir- kung in weiten Grenzen geändert werden.
In der Fig.8 ist eine Einrichtung nach Fig. 4 dargestellt, welche jedoch mit einer ela stischen Rückführung ausgerüstet ist, und die dann notwendig ist, wenn die zur Stabilität des Reglers erforderliche Ungleichförmigkeit unzulässig gross ist. Die elastische Rückfüh rung wird durch zwei der gleichen Umge bungstemperatur ausgesetzten, mit Heizwider- ständen 44, 41 versehenen temperaturemp findlichen Widerständen 42, 43 gebildet, wo bei sie in zwei einander entgegenwirkenden Zweigen eines Messkreises, beispielsweise einer Messbrücke, angeordnet sind.
Das Relais 14 weist neben dem Umschaltkontakt 29 noch einen zweiten Umschaltkontakt 291 auf, ver mittels dem die beiden Heizwiderstände 44, 41 gleichzeitig mit dem Umkehrmotor 34 ab wechslungsweise an Spannung gelegt werden können. Die Schaltung ist derart, dass bei Änderung des Geberwiderstandes 1 zufolge Abweichung der zu regelnden Zustandsgrösse vom Sollwert, einerseits der Umkehrmotor 34 das Regelorgan, zum Beispiel das Ventil 33, in jener Richtung verstellt, bei welcher die Mengenzufuhr derart geändert .wird, dass die Abweichung der Zustandsgrösse verkleinert wird, und anderseits jener Rückführwider- stand 42 bzw. 43 eingeschaltet wird, welcher der Messkreisverstimmung entgegenwirkt.
Die im Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 8 zur Anwendung gekommene elastische Rückfüh rung kann auch durch eine starre Rückfüh rung, wie sie bereits in der Fig. 6 angeführt wurde, ergänzt werden. Dazu wird in der Mess- brücke der Einstellwiderstand für die Rück führgrösse 35 an der gleichen Stelle, wie in der Pig. 6 dargestellt, eingefügt und dazu das Rüekführpotentiometex 36 parallel geschaltet, dessen mit der Steuerwicklung 10 verbun dener Mittelabgriff vom Umkehrmotor 34 ver stellt wird.
Durch diese Kombination kann sogar bei sehr schwierigen Regelaufgaben, durch Summierung der beiden Rüekführ- wirkungen, die Stabilität des Reglers er zielt werden. Für die als Rückführungs- und Kompensationswiderstände zur Anwen dung kommenden temperaturempfindlichen Widerstände genügt, dank der verhältnis mässig grossen Leistungsverstärkung des ma gnetischen Verstärkers, bereits eine kleine Temperaturerhöhung, die durch einen han delsüblichen, drahtgewickelten,
oder eine Metall- oder Kohleschicht aufweisenden Wi derstand von einigen wenigen Watt zulässiger Belastung leicht aufgebracht werden kann. Es ist daher vorgesehen, solche Widerstände als Heizwiderstände für die Rückführ- und Kompensationswiderstände zu verwenden und die Drähte mit temperaturabhängigem Wider stand, die vorzugsweise aus Reinnickel be stehen, direkt auf solche Widerstände aufzu wickeln und durch Lack am Heizwiderstand festzuhalten, wobei der Lack gleichzeitig für eine gute thermische Kopplung sorgt.
Der Geberwiderstand 1 ist mit Vorteil als tempera turabhängiger Halbleiterwiderstand ausgebil det, da dieser einen besonders hohen Tem peraturkoeffizienten aufweist. Aus dem glei chen Grunde können auch die Rückführ- und Kompensationswiderstände als Halbleiter widerstände ausgebildet werden.
Control device. There are already control systems known in which the physical size to be controlled affects a sensor in a bridge or differential circuit provided resistance sensor with sliding contact and the control is carried out by means of a zero or differential relay. In the event that only a low measurement power is permitted for the resistance transmitter, as for example with resistance thermometers, or that only a small change in the measurement power is available, for example with strain gauges with resistance wires, these control systems are for direct control not suitable for technically sufficiently robust neutral relays or differential relays.
Rather, sensitive rotating coil or cross-coil instruments are then required, which, however, require a mechanical scanning device to operate control contacts. As a result, they are not suitable for control systems with rapidly changing state variables. Other types of scanning, such as photoelectric or high frequency, have the disadvantage that the incandescent lamps and electron tubes used only have a comparatively short service life, so that they are not operationally reliable enough.
The same disadvantage occurs when using electron tube amplifiers.
The present invention relates to a control device in which the disadvantages mentioned are circumvented in that a resistance transmitter provided in a DC-fed measuring circuit controls a relay influencing the position of a control element via at least one magnetic amplifier.
In the drawing, some execution examples of the subject invention are Darge provides. 1 shows a control system for regulating the temperature of a thermal system with open-close control, FIG. 2 shows a rigid feedback in the control system according to FIG. 1, FIG. 3 shows an embodiment of a control system with differential circuit, FIG a progressively acting control system with a relay having a Kompensationswick development, Fig. 5 a progressively acting control system with two magnetic amplifiers,
6 shows a progressively acting control system with electrical feedback to the measuring circuit, FIG. 7 shows a progressively acting control system with feedback acting on a magnetic amplifier, and FIG. 8 shows a progressively acting control system with elastic feedback.
In Fig.1, a control system for regulating the temperature of a thermal system is shown as an example. The temperature to be regulated is sensed with a temperature-sensitive resistor 1 which is arranged in one branch of a measuring circuit designed as a measuring bridge. This measuring bridge contains three fixed resistors 2, 3 and 4 and a variable resistor 5, which is used to set the setpoint of the temperature to be regulated. The measuring bridge is connected to an alternating current network via a.
Transformer 6, which is provided with a secondary winding having a center tap 7, and a rectifier 8 with .Gleichstrom fed. A control unit 10 of a magnetic amplifier 11 is connected to the output diagonal of the measuring bridge via a regulating resistor 9. In the drawing, the magnetic amplifier is continuously connected in a self-saturation circuit known per se, which is preferably used; however, it could just as well be switched in a self-excitation circuit.
The magnetic amplifier 11 has two terminals on the outside of the '. Secondary winding of the transformer 6 via a rectifier 12 each connected load windings 13; the other ends of which are connected to one another and are guided to the center tap 7 of the transformer secondary winding via a polarized relay 11 which forms the load and controls an automatic oil burner 15 for example.
The relay 11 is thus fed by a pulsating direct current. A smoothing capacitor 16 connected in parallel with it ensures on the one hand that the direct current pulses are flattened so that the relay switches without flickering, and on the other hand it serves to prevent the relay inductance from influencing the rate of current change undesirably, which leads to unstable loading drive mode of the latter is avoided.
At low impedance values of the relay coil 1.1, the required capacitance would be relatively large. In this case, the capacitor 16 can be replaced by a rectifier, which forms a return path for the discharge of the relay inductance. It goes without saying that all those measures can be used on the magnetic amplifier which are useful for an appropriate setting of the operating point and for increasing the sensitivity.
For example, the characteristics of the magnetic amplifier can be shifted in a desired sense by positive or negative direct current pre-excitation or by pre-excitation by means of a permanent magnet. 1 shows a pre-excitation circuit used for this purpose, consisting of a pre-excitation winding 18 connected to rectifier 8 via a series resistor 17.
By means of a feedback dependent on the load current, it is also possible, please include to increase the steepness of the characteristic. With strong feedback, a tilting process can even occur, which is particularly advantageous when operating a relay, since the relay then works faster and with greater contact pressure. In FIG. 1, a feedback circuit serving this purpose is also shown, consisting of a feedback winding 20 connected in parallel to relay 11 via a regulating resistor 19.
The operation of the described device is now as follows: If the temperature of the medium of the thermal system to be monitored is just the setpoint set on the regulating resistor 5, the measuring bridge is calibrated and the control winding 10 receives no control current. The conditions are niui chosen such that in this case the excitation of the relay 1-1 is small, so that the automatic oil burner 15 is out of operation.
If the medium temperature now drops, the resistance value at the temperature-sensitive resistor 1 also drops, the balance weight of the measuring bridge is disturbed and the control winding 9 receives a control current that is directed so that a stronger current flows in the load circuit of the magnetic amplifier 11. The relay 1.1 is therefore energized and the automatic oil burner 15 is put into operation. As soon as the medium reaches or exceeds the target temperature again, the automatic oil burner 15 is immediately put out of operation again.
As a result of the large power gain that can be achieved by the magnetic amplifier, there is a high controller sensitivity. This has the consequence that the maintenance difference, that is to say the temperature difference between the switching on and off of the relay 14, is relatively small. There are cases, for example in the case of oil burners, in which the small '-,' clialtdifference would result in a high switching frequency, whereby the relay 14 would be inadmissibly stressed.
This operating state can, however, easily be avoided in that the controller sensitivity is reduced by means of the feedback regulating resistor 19. The same effect can also be achieved by adjusting the regulating resistor 9 in the control circuit or by a resistor arranged in parallel with the control winding 10. In the first case the time constant of the magnetic amplifier is smaller, in the second case it is larger. In the case of certain thermal systems, however, it can happen that the switching frequency is too low.
This can, for example, result in poor combustion efficiency when controlling the draft air flap of a coke boiler. In addition, the medium temperature would fluctuate relatively strongly. For such cases it is provided that the regulator device shown in FIG. 1 is equipped with a rigid feedback.
In Fig. 2 such a supplemented control device @ is shown. The relay 14 controls a circuit in which a draft flap electromagnet 40 is switched on. In the measuring bridge, two temperature-sensitive resistors 21 and 22 are now switched on, of which the Wi resistor 22 is heated by a heating resistor 23 connected in parallel to the electromagnet 40 when the train is open, that is, when the Reg ler introduces the heat supply into the thermal plant.
The resistor 21 remains unheated and serves to compensate for the ambient temperature. The two resistors 21, 22 are located in two electrically opposing branches of the measuring bridge, so that changes in the ambient temperature do not affect the calibration of the measuring bridge and consequently the control accuracy.
The heated feedback resistor 22 and the temperature-sensitive resistor 1 monitoring the medium are located in two branches of the measuring bridge that are electrically in the same sense we kenden. If the medium temperature now falls below the setpoint value, the resistor 1 causes the draft air flap to open via the relay 14 and the electromagnet 40. At the same time, the heating resistor 23 is switched on, which the return resistor 22 begins to heat up. Without feedback, the draft air flap would only be closed after a long time, which is due to the inertia of the thermal system under consideration.
The measurement bridge is influenced by the described feedback in such a way that the draft air flap is closed prematurely. The same applies when the temperature setpoint is exceeded. In this case too, this results in regulation with a relatively high switching frequency. The latter is significantly co-determined by the time constant of the feedback loop. By choosing this time constant appropriately, it is therefore possible to influence the switching frequency as well.
The described feedback effect can also be achieved in that the heating resistor 23 is switched on while the draft flap is in the closed position, that is to say it is operated with the complementary pulses. Instead of the temperature sensitive resistor 22, however, it is assigned to the resistor 21 in this case. As a result of the open-close mode of operation of the controller described. the heating of the feedback resistor 22 or the complementary feedback resistor 21 depends on the load on the thermal system.
For every change in resistance of the feedback resistor, there is a corresponding change in resistance of resistor 1 and thus a corresponding change in the state variable to be controlled, which depends on the changes in load. According to the feedback, there is a non-uniformity of the state variable to be regulated, so that the latter is only kept constant within the scope of this non-uniformity.
This disadvantage can easily be circumvented by an elastic return. For this purpose, it is sufficient to equip the previously unheated resistor 21 with a heating resistor which is switched on and off at the same time as the return heating resistor 23. It is thereby achieved that in the quasi-stationary state the influence of the feedback resistor 22 on the measuring bridge is compensated, whereby the irregularity disappears.
The time constant of this compensation device is selected to be greater than that of the feedback, so that a temporary stabilizing non-uniformity occurs during the dynamic control compensation processes. The final value of the state variable to be regulated, however, is now regulated precisely to the setpoint.
3 shows a further embodiment of the control system using a measuring circuit designed as a differential circuit instead of the measuring bridge used in FIGS. 1 to 2.
The differential circuit consists of two parallel-connected currents, which are connected to the DC voltage of the rectifier 8 and of which one has the resistor 1, a control winding 101 and a temperature-sensitive resistor 24 and the other a setpoint adjustment resistor 25, a control winding 102 and a temperature sensitive resistor 26 contains. Apart from the two control windings which are connected in opposition to one another, the rest of the circuit corresponds to that of FIG. 2.
The resistor 24 is heated by a heating resistor 27 connected in parallel to the electromagnet, and serves as a. Feedback resistor, while resistor 26 serves as a compensation resistor. The latter can, for the reasons already mentioned above, also be heated by a heating resistor 28 indicated in FIG. 3. This device works as follows: If the state variable to be controlled, i.e. the temperature of a thermal system in the case under consideration, corresponds to the setpoint set on the setting resistor 25, the magnetic effects of the two control windings 101, 102 cancel each other out and the excitation of the Relay 14 is small.
If there is a deviation from the setpoint, the effect of one or the other control winding predominates, depending on the direction of the deviation. The conditions are now chosen so that the relay 14 is energized if the value falls below the desired value, while it remains slightly energized when the desired value is exceeded. The conditions are therefore completely analogous to those in the bridge circuit of the measuring circuit. The return heating resistor 27 is turned on again during the excitation of the electric magnet 20. With the simultaneous heating of the compensation heating resistor 28, elastic feedback is again obtained.
Without this heating, the return is rigid. Here, too, the two resistors 24, 26 can be interchanged and the complementary pulses of the relay 14 can be used for heating.
FIG. 4 shows a further development of the device shown in FIG. 1 to form a progressively acting regulator. This control effect is achieved in that the relay 14 is provided with a changeover contact and is pre-excited by means of an exciter 31 connected to the rectifier 8 via a series resistor 30. The excitation winding 31 is a smoothing capacitor 32 connected in parallel. The relay coil 14 in turn receives the excitation current from the magnetic amplifier 11.
The changeover contact 29 can assume two end positions and a neutral central position. The control element of the system to be regulated, for example a valve 33, is adjusted by a reversing motor 34 which has two stator windings for the two directions of rotation of the rotor. If the variable to be controlled has the setpoint. on, the ratios are chosen so that the changeover contact 29 assumes the neutral center position. The valve 33 then remains in the position it has just assumed. This is achieved in that in this case the excitation resulting from the relay coil 14 and the excitation winding 31 is made zero by appropriate dimensioning of the series resistor 30.
If the variable to be controlled deviates from the setpoint value, the current supplied by the magnetic Ver 11 increases in the relay coil 14 depending on the direction of the deviation, and then the excitation of the relay coil 14 or that of the exciter winding 31 predominates. Depending on the changeover contact 29 takes one or the other end position and the reversing motor 34 closes or opens the valve 33, and the resulting change in the medium supply to the monitored system counteracts the: Deviation in the state variable to be controlled.
Instead of equipping the relay 14 with an excitation winding, the same can also be provided with a permanent magnet, the effect of which is selected so that it is in turn just lifted at the setpoint by the excitation of the relay coil 14. It is also provided that the armature of the relay 14 is kept under the action of a spring in such a way that the neutral position of the changeover contact is assumed at the setpoint value. In order to achieve the stability of the control process, a minimum value of the insensitivity zone is necessary in the device described here, that is to say that zone of the state variable to be controlled within which the changeover contact 29 moves from one end position to the other.
The adjustment of this insensitivity zone is done by appropriate choice of either the regulating resistor 19 in the feedback circuit of the magnetic amplifier 11 or the regulating resistor 9 in the control circuit of the same. Instead of the regulating resistor 9 connected in series, a resistor connected in parallel with the control winding can of course also be provided.
In FIG. 5, a similar device to that in FIG. 4 is shown, but for the purpose of satisfying the highest demands on the control accuracy, two magnetic amplifiers of the type already described, acting on a relay coil 14 and 141, in one of the supply chips independent circuit can be used. The relay coil 14 receives the excitation current from the magnetic amplifier 11 and the relay coil 141 receives its own from the magnetic amplifier 111 and the two relay coils act magnetically on the counter.
The series-connected control windings 10 and 101 of the two amplifiers are connected to the bridge output via the regulating resistor 9 and are switched with respect to the flow direction of the bridge output current so that they control the amplifiers in the opposite direction. If the state variable to be regulated now has the setpoint value, the measuring bridge is balanced, the bridge output current is zero and thus the current in the two control windings 10 and 101 is also zero.
The output currents of the two amplifiers 11 and 111 in the relay coils 14 and 141 are of the same size, so that their effect on the relay is canceled, and the changeover contact 29 is in the middle position. This state is maintained even if the supply voltage fluctuates, since the amplifier output currents always change the same. If the state variable to be controlled deviates from the nominal value, the measuring bridge is misaligned, and a bridge output current is created which controls the two amplifiers 11, 111 in opposite directions, so that the output current of one amplifier increases while that of the other decreases takes.
The magnetic effect of the relay coil carrying the larger current predominates and the changeover contact is brought into one end position. This process takes place depending on the sign of the deviation of the state variable to be controlled in one or the other direction, whereby the desired control effect is achieved. It goes without saying that a corresponding circuit can also be implemented with a measuring circuit designed as a differential circuit.
Furthermore, if the changeover contact 29 is only used with a fixed contact, the device described here can also be used for open-close controllers with the advantage of being independent of voltage. The advantage of voltage independence can also be achieved using only a single magnetic amplifier.
Since the mains voltage fluctuations act on the magnetic amplifier in two ways, namely on the one hand via the load windings 13 and on the other hand via the pre-excitation winding 18, it is possible to compensate for these two effects by setting the pre-excitation current appropriately. However, this then results in a shift in the amplifier characteristic, so that the control of the state variable would no longer take place around the setpoint value.
This disadvantage is circumvented by the fact that the shift in the characteristic which brings about compliance with the setpoint and which must be constant regardless of the mains voltage, is generated by a permanent magnet acting on the magnetic circuits of the amplifier.
The device shown in Figure 5 Einrich has no feedback. It therefore only works in a stable manner with unfavorable control properties of the system to be controlled when the valve is running slowly. By installing a rigid feedback, which is formed by a feedback potentiometer that influences the measuring circuit and is adjusted by the control element, the device can be made usable for more general purposes. Such an embodiment is shown in FIG.
In the measuring circuit, which in turn can be designed as a measuring bridge or as a differential system, a regulating resistor 35 with a parallel feedback potentiometer 36 is provided to set the feedback variable, the center tap of the latter being adjusted by the reversing motor 34 and for exercising the Serves repatriation. This acts on the control winding 10 of the magnetic amplifier and takes place in such a way that it counteracts the detuning of the measuring circuit.
Depending on the load on the system to be controlled, the control element and thus also the feedback potentiometer 36 assume different positions when the load and the medium supply are in equilibrium: Depending on the load, the various resistance values of the transmitter resistance 1 correspond to different values of the state variable, whereupon the irregularity of the controller can be seen. The stabilizing effect of the non-uniformity allows rapid regulation processes to be carried out, even if the system to be regulated has unsuitable properties.
The relay 14 is adjusted by means that have already been mentioned in the device according to FIG. 4 in such a way that the neutral position of the changeover contact is assumed at the setpoint. The same Ju stierung of the relay 14 is also used in the following two embodiments.
FIG. 7 shows a device corresponding to FIG. 6, in which, however, the measuring circuit and the feedback circuit are electrically separated from one another, which has the advantage that one has greater freedom in designing the measuring circuit. This is particularly important if the measuring circuit is equipped with several encoder resistors 1 ..
In FIG. 7, the feedback circuit consists of a bridge 38 which is connected to the rectifier 8 via a series resistor 37 and has four fixed resistors, the output diagonal of which is connected to a feedback potentiometer 39, the means of which is tapped by the control element or by the Reversing motor 34 is adjusted. The bridge exit is. Connected via a pre-excitation winding 18? which is additionally attached to the magnetic amplifier 11 and which has a similar effect on the characteristics of the magnetic amplifier as the pre-excitation winding 18.
The four fixed resistances of the bridge 38 are now selected in such a way that the latter is adjusted for that position of the feedback potentiometer 39 or of the control element for which no influence of the non-uniformity on the state variable to be controlled is desired. Depending on the position of the control element, a current which influences the amplifier characteristics flows through the pre-excitation winding 182 in such a way that the detuning of the measuring circuit is counteracted.
By setting the series resistor 37, the feedback effect can be changed within wide limits.
In FIG. 8, a device according to FIG. 4 is shown, which, however, is equipped with an ela tical feedback, and which is necessary when the irregularity required for the stability of the controller is inadmissibly large. The elastic feedback is formed by two temperature-sensitive resistors 42, 43 exposed to the same ambient temperature and provided with heating resistors 44, 41, where they are arranged in two opposing branches of a measuring circuit, for example a measuring bridge.
The relay 14 has, in addition to the changeover contact 29, a second changeover contact 291, ver by means of which the two heating resistors 44, 41 can be connected to voltage simultaneously with the reversing motor 34 from alternately. The circuit is such that when the sensor resistance 1 changes due to the deviation of the state variable to be controlled from the setpoint, the reversing motor 34 adjusts the control element, for example the valve 33, in the direction in which the quantity supply is changed in such a way that the deviation the state variable is reduced, and on the other hand that feedback resistor 42 or 43 is switched on, which counteracts the measuring circuit detuning.
The elastic Rückfüh tion used in the embodiment according to FIG. 8 can also be supplemented by a rigid Rückfüh tion, as was already mentioned in FIG. To do this, the setting resistor for the feedback variable 35 is placed in the measuring bridge at the same point as in the Pig. 6 shown, inserted and connected in parallel to the Rüekführpotentiometex 36, the center tap of which is connected to the control winding 10 by the reversing motor 34 is ver.
With this combination, the stability of the controller can be achieved even with very difficult control tasks by adding up the two feedback effects. For the temperature-sensitive resistors used as feedback and compensation resistors, thanks to the relatively large power amplification of the magnetic amplifier, all that is needed is a small increase in temperature generated by a commercially available wire-wound,
or a metal or carbon layer having resistance of a few watts allowable load can easily be applied. It is therefore intended to use such resistors as heating resistors for the feedback and compensation resistors and the wires with temperature-dependent resistors, which are preferably made of pure nickel, wind up directly on such resistors and hold on to the heating resistor by varnish, the varnish for the same time ensures good thermal coupling.
The transmitter resistor 1 is advantageously designed as a temperature-dependent semiconductor resistor, since it has a particularly high temperature coefficient. For the same reason, the feedback and compensation resistors can also be designed as semiconductor resistors.