Regeleinrichtung mit Steuerung eines Stellorgans mittels eines Zdveipunktreglers Zur Lösung schwieriger Regelaufgaben mit lan gen Zeitkonstanten und Totzeiten ist die Verwendung , von Hilfsgrössenfühlern bekanntgeworden, welche sich innerhalb der Regelstrecke bzw. des Regelkreises be finden, jedoch nicht am Messort der Regelgrösse selbst eingebaut sind, sondern an Orten, welche vor dem Messort des Reglerfühlers liegen.
Dadurch wird erreicht, dass solche Hilfsgrössen fühler ein das System durchwanderndes Signal bereits erfassen, bevor es den Reglerfühler erreicht, und dem gemäss auch den Regelvorgang schon vor diesem Zeitpunkt einleiten. Solche Kombinationen von Hilfs- grössenfühlern mit Reglerfühlern bewirken eine Ver besserung der Regelstabilität, indem sie die Wirkung der Totzeit herabsetzen.
Diese bereits bekannten Systeme sind dadurch charakterisiert, dass Reglerfühler und Hilfsgrössen fühler miteinander in üblicher stetiger Wirkverbin dung stehen. Zum Beispiel wird bei einem System mit Wheatstonescher Brücke sowohl der Reglerfühler als auch der oder die Hilfsgrössenfühler in die Brücke geschaltet, in deren Nullzweig das daraus resultie rende Regelkommando erfasst, verstärkt und ausge geben wird.
Weiterhin ist für solche Regelsysteme ein stetiges Übertragungsverhalten bis zum Verstärkerausgang charakteristisch, welches dann entweder ebenfalls stetig, oder aber unstetig bzw. quasisstetig an das Stellorgan weitergegeben wird.
Derartige Systeme erfüllen zwar ihre Aufgabe voll und ganz, sind aber aufwandreich und ent sprechend teuer, da sie stetig wirkende Messgeber mit gutem Linearverhalten und eine entsprechende Messschaltung mit Verstärker benötigen.
Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nach teile und bezieht sich auf eine Regeleinrichtung, wel che mit Steuerung eines Stehorgans mittels eines Zweipunktreglers unter Verwendung wenigstens eines Hilfsgrössenfühlers arbeitet und dadurch gekenn zeichnet ist, dass der Hilfsgrössenfühler die erste Ab leitung der Hilfsgrösse bildet und in unstetiger Wirk verbindung mit dem Stellorgan steht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Regeleinrichtung, im folgenden auch Regelsystem genannt, gemäss der Erfindung schematisch darge stellt.
Es zeigen: Fig. 1 ein Regelsystem für eine Warmwasser- Zentralheizungsanlage, Fig. 2 ein Regeldiagramm des Regelsystems der Fig. 1, Fig. 3 ein Regelsystem für eine elektrische Ofen heizung und Fig. 4 ein Regeldiagramm des Regelsystems der Fig. 3.
In der Fig. 1 ist ein Kessel 1 mit einem Wärme erzeuger 2 versehen. Der Kessel 1 liefert über ein Vorlaufrohr 3 heisses Wasser zu einem Mischventil 4, welchem gleichzeitig aus einem Rücklaufrohr 5 der Heizungsanlage über ein Beimischrohr 6 Rücklauf wasser zuströmt, so dass sich hinter dem Mischventil 4 in einer Mischvorlaufleitung 7 eine entsprechende Mischtemperatur ergibt.
Durch die Mischvorlauf leitung 7 wird das Mischwasser nicht gezeichneten Heizkörpern zugeleitet, aus denen es dann über eine Umwälzpumpe 8 und das Rücklaufrohr 5 in den Kessel 1 bzw. das Beimischrohr 6 zurückströmt. In der Mischvorlaufleitung 7 ist ein Fühler 9 eingebaut, welcher als Hilfsgrössenfühler wirkt, und zwar derart, dass er nicht auf eine Temperatur, sondern nur auf eine Änderung der Temperatur anspricht.
Dies wird dadurch erreicht, dass das Fühlorgan des Hilfsgrössen- fühlers 9 aus einem Dehnungsrohr 10 und einem darin befindlichen Dehnungsstab 11 aus gleichem Material besteht. Das Dehnungsrohr 10 und der Deh nungsstab 11 sind an ihrem unteren Ende mitein ander verbunden. Der Dehnungsstab 11 steht mit sei nem oberen Ende über ein Isolierstück 12 mit zwei Kontaktschaltern 13 und 14 in Wirkverbindung. Im thermischen Beharrungszustand des Hilfsgrössenfühlers 9 befindet sich das Isolierstück 12 in der Mitte zwischen den beiden Kontaktschaltern 13 und 14, die dann beide geschlossen sind.
Bei einem Temperatur anstieg dehnt sich zunächst das Dehnungsrohr 10 des Hilfsgrössenfühlers 9, während der Dehnungsstab 11 des Hilfsgrössenfühlers 9 infolge seiner andersartigen thermischen Ankopplung erst später anfängt, sich zu dehnen. Dadurch entsteht zwischen dem Deh nungsrohr 10 und dem Dehnungsstab 11 vorüber gehend eine relative Dehnung, falls die Temperatur auf dem neuen höheren Wert wieder konstant bleibt. Infolge dieser relativen Dehnung wird der Kontakt schalter 14 vorübergehend geöffnet. Dasselbe spielt sich mit umgekehrtem Vorzeichen ab, wenn die Tem peratur sinkt, wobei dann aber der Kontaktschalter 13 geöffnet wird.
Die beiden Kontaktschalter 13 und 14 sind auf einer gemeinsamen, mit zwei gegen läufigen Gewinden versehenen Spindel 15 gegenein ander verschiebbar angeordnet, so dass dadurch der Schaltabstand mittels eines auf der Spindel 15 be festigten Drehknopfes 16 von aussen von Hand den Gegebenheiten der Anlage angepasst werden kann. Die beiden Kontaktschalter 13 und 14 sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Ein mit einer Rückführung 18 versehener Raum thermostat 17 steuert als Regler einen Ventilantrieb 19 über ein Relais 20, und zwar derart, dass das Mischventil 4 über einen Antriebsmechanismus 21 geöffnet wird, wenn der Raumthermostat 17 einen Reglerkontaktschalter 22 schliesst, und dass es ge schlossen wird, wenn der Raumthermostat 17 den Reglerkontaktschalter 22 öffnet. Die Speisespannung des Ventilantriebes 19 ist über die beiden Kontakt schalter 13 und 14 des Hilfsgrössenfühlers 9 geführt.
Die Wirkungsweise dieser Regeleinrichtung ist folgende: Ist beispielsweise die Heizanlage kalt, so ist der Reglerkontaktschalter 22 des Raumthermostaten 17 geschlossen, der Ventilantrieb 19 arbeitet, das Misch ventil 4 beginnt sich zu öffnen, und die Mischwasser temperatur in der Mischvorlaufleitung 7 steigt. Infolge dessen entsteht im Hilfsgrössenfühler 9 eine relative Dehnung (Rohr 10 gegenüber Stab 11), so dass der Kontaktschalter 14 geöffnet wird.
Dadurch wird der Stromkreis zum Ventilantrieb 19 unterbrochen, so dass der Antriebsmechanismus 21 und damit das Mischventil 4 in seiner augenblicklichen öffnungs- stellung stehenbleiben und folglich auch das Misch wasser in der Mischvorlaufleitung 7 seine augenblick liche Mischtemperatur zunächst beibehält. Nach Ab lauf der Rückstellzeit des Hilfsgrössenfühlers 9 schliesst letzterer wieder seinen Kontaktschalter 14.
Wird nun vom Raumthermostat 17 weiterhin Wärme verlangt, so wird das Mischventil 4 einen zweiten Öffnungsschritt weitergedreht, um dann wie derum nach Stillsetzung des Ventilantriebes 19 durch den Kontaktschalter 14 in seiner nunmehr erreichten Öffnungsstellung stehen zu bleiben.
Dieses Spiel wiederholt sich so oft bzw. so lange, bis die eingestellte (gewünschte) Raumtemperatur erreicht ist und der Raumthermostat 17 seinen Reglerkontaktschalter 22 öffnet. Dies hat aber zur Folge, dass nunmehr die nächste Ventilbewegung des Mischventils 4 in Schliessrichtung erfolgt. Die Zahl der Ventilbewegungsschritte des Mischventils 4 ist abhängig vom gegenseitigen Abstand der beiden Kon taktschalter 13 und 14, von den Totzeiten der thermi schen Anlage sowie von der Schaltperiode des Raum thermostaten 17.
Durch entsprechendes Anpassen des Abstandes der beiden Kontaktschalter 13 und 14 lässt sich erreichen, dass im stabilen Regelverlauf pro Schalt periode des Raumthermostaten 17 ein Minimum an Regelschritten, z. B. ein bis zwei in jeder Richtung, zustandekommt.
Unter Gewährleistung einer sehr genauen Ein haltung der gewünschten Raumtemperatur wird mit dieser Steuerung erreicht, dass die Laufzeiten des Mischventils 4 für das Öffnen und Schliessen relativ kurz und seine Stillstandzeiten relativ lang sind, so dass also die mechanische Beanspruchung der Ein richtung sehr gering ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Stillstands zeiten des Mischventils 4 dadurch zu vergrössern, dass der Dehnungsstab 11 des Hilfsgrössenfühlers 9 mit grossem Speicherungsvermögen versehen wird, beispielsweise durch Erhöhung seines Durchmessers.
Der Hilfsgrössenfühler 9 kann in anderer Weise auch so konstruiert sein, dass anstelle des Dehnungs stabes 11 ein Rohr vorgesehen wird, das nach aussen offen ist und in welches zur Anpassung der Trägheit des Hilfsgrössenfühlers 9 je nach Bedarf Speiche rungskörper, wie beispielsweise Rohr oder Vollstäbe, eingeschoben werden können. Auf diese Weise lässt sich die Trägheit des Hilfsgrössenfühlers 9 in weiten Grenzen variieren bzw. den jeweiligen Gegeben heiten der Anlage anpassen.
Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, aus dem ein bei spielsweiser Verlauf eines Regelvorganges, welcher das Anfahren und das Fortregulieren der Heizungs anlage der Fig. 1 umfasst, zu ersehen ist.
Über der Zeit t als Abszisse sind als Ordinaten die jeweiligen Öffnungsstellungen s des Mischventils 4 in einer ge strichelt gezeichneten Kurve 23 sowie die zugehöri gen Temperaturen ü an drei verschiedenen Stellen des Regelsystems in drei entsprechenden durchlau fend gezeichneten Kurvenzügen 24, 25 und 26 auf getragen, wobei im unteren Teile des Diagramms längs der Abszisse t die zugehörigen Ein- und Aus schalt-Zeitintervalle des Reglerkontaktschalters 22 des Raumthermostaten 17 eingetragen und durch schraffierte Felder 27 für die Einschaltintervalle da gegen durch freie Lücken 28 zwischen den Feldern 27 für die Ausschaltintervalle gekennzeichnet sind.
Das Diagramm zeigt, dass das Mischventil 4 sich während des Anfahrens der Heizungsanlage stufen weise in mehreren (z. B. hier in vier) Öffnungsschrit ten öffnet, bevor es an einer Stelle 29 seinen grössten Öffnungshub (1000/9) erreicht. Der Linienzug 24 stellt den Temperaturverlauf im Mischvorlaufrohr 7 dar und zeigt im Anfahrbereich ebenfalls ein stufen weises Ansteigen, wobei die Temperaturstufen den Öffnungsstufen des Mischventils 4 (vgl. gestrichelte Kurve 23) entsprechen.
Der bei einer Temperatur stufe der Kurve 24 jeweils auftretende waagrechte Kurvenabschnitt a entspricht der Beharrungs- oder Rückstellzeit des Hilfsgrössenfühlers 9. Am Ende des ersten Einschaltintervalls des Thermostat-Reglerkon- taktschalters 22, also in dem Augenblick, in dem letzterer ausschaltet, beginnt das Mischventil 4 an der Stelle 30 der Kurve 23 sich zu schliessen; gleich zeitig beginnt die Temperatur im Mischvorlaufrohr 7 zu fallen (vgl. Kurve 24).
Mit fortschreitender Zeit t gelangt dann die Heizanlage in den Beharrungszu stand, wobei das Mischventil 4 eine mittlere Stellung einnimmt, welche dem Wärmebedarf zum Fortheizen entspricht, der kleiner ist als der Anheizbedarf. Die Kurve 25 stellt den zugehörigen Verlauf der Raum temperatur der beheizten Räume dar, während die Kurve 26 den entsprechenden Verlauf der Wasser temperatur im Rücklaufrohr 5 veranschaulicht.
Der Hilfsgrössenfühler lässt sich auch bei Regel strecken mit einer Auf-Zu-Steuerung anwenden. Bei solchen Regelstrecken, wie z. B. Öfen, Wärme schränken, Bädern usw. entstehen oftmals infolge der thermischen Trägheit bei der Temperaturregelung grosse Schwankungen, die ein Vielfaches der Schalt differenz der Regler betragen können.
Die Kom bination eines Hilfsgrössen- mit einem Reglerfühler bringt auch hier erhebliche Vorteile, wenn der Hilfs- grössenfühler innerhalb der Regelstrecke vor dem Messort des Reglerfühlers eingebaut wird und die Heizung unabhängig vom Reglerfühler ein- und aus geschaltet werden kann, insofern als auch hier durch eine derartige Kombination eine Verbesserung der Regelstabilität, das heisst eine Verminderung der Tot zeitwirkung erzielt wird.
Infolgedesesen lassen sich aber auch hier die eingangs erwähnten Nachteile grossen Aufwandes und hoher Kosten bei Verwen dung der bisher bekannten Kombination von Regler fühlern mit stetig arbeitenden Messgebern durch die erfindungsgemäss vorgeschlagene Anwendung unsteti ger Messgeber in günstiger Weise umgehen.
Der Hilfsgrössenfühler, welcher für derartige Auf- Zu-Steuerungen verwendet wird, weist den gleichen Aufbau auf, wie er anhand der Fig. 1 für eine Warmwasser-Heizungsregelung bereits beschrieben wurde, jedoch sind seine beiden Kontaktschalter nicht in Reihe, -sondern parallel geschaltet, wobei der eine die Heizung über den Reglerfühler und der andere sie direkt steuert.
Ein Regelsystem gemäss der Erfindung für eine Auf-Zu-Regelung ist in der Fig. 3 für die beispiels- weise Anwendung bei einem elektrischen Ofen ver anschaulicht.
In der Fig. 3 enthält ein zu steuernder Ofen 31 mit einer eingebauten elektrischen Heizung 32 einen Hilfsgrössenfühler 9, welcher wie in der Fig. 1 aus einem Dehnungsrohr 10 und einem darin be findlichen Dehnungsstab 11 aus gleichem Material, einem Isolierstück 12 und zwei Kontaktschaltern 13 und 14 besteht. Der Kontaktschalter 14 wird bei steigender Temperatur geöffnet, der Kontaktschalter 13 bei sinkender Temperatur geschlossen, während bei konstanter Temperatur der Kontaktschalter 14, wie gezeichnet, geschlossen, der Kontaktschalter 13 dagegen geöffnet ist.
Die beiden Kontaktschalter 13 und 14 sind, wie aus der Fig.3 zu ersehen ist, oberhalb bzw. unterhalb der neutralen Lage des an dem Dehnungsfühler 10, 11 befestigten Isolier- stückes 12 angeordnet. Das Auf-Zu-Spiel des Kon taktschalters 14 erfolgt demzufolge mit einem Ein schaltverhältnis, das grösser, das des Kontaktschalters 13 mit einem Einschaltverhältnis, das kleiner ist als der zur Einhaltung der gewünschten Raumtempera tur notwendige Wert, so dass also das Ansteigen bzw.
das Absinken der mittleren Temperatur mit kon stanter Geschwindigkeit erfolgt, deren Grösse durch den nicht gezeichneten Verstellmechanismus der bei den Kontaktschalter 13 und 14 vorbestimmt werden kann.
Die Einrichtung enthält weiterhin als Regler einen Raumthermostaten 33, welcher mit zwei Kontakt schaltern 34 und 35 ausgerüstet ist und in dessen Stromkreis ein Schaltschütz 44 liegt, das die elek trische Heizung 32 ein- bzw. ausschaltet.
Der Kon taktschalter 34 schaltet bei einer etwas tieferen Tem peratur ein als der Kontaktschalter 35 und dient zur raschen Anheizung, indem er in geschlossenem Zu stand den Hilfsgrössenfühler 9 überbrückt und unab hängig von dessen Kontaktstellung die Heizung 32 eingeschaltet hält. Öffnet bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur der Kontakt 34, so wird da durch zunächst die Heizung 32 abgeschaltet, weil wegen der bis dahin steigenden Temperatur der Kon takt 14 des Hilfsgrössenfühlers (9) noch offen ist.
Die Temperatur sinkt infolgedessen, und der Hilfsgrössen- fühler schaltet daraufhin durch Schliessen des Kon taktes 14 die Heizung wieder ein, wodurch die Tem peratur wieder steigt und die Heizung durch Öffnen des Kontaktes 14 erneut abgeschaltet wird und so fort. Das Auf- und Zu-Spiel des Kontaktes 14 erfolgt mit einem Einschaltverhältnis, das grösser ist als zur Konstanthaltung der Temperatur erforderlich.
Folg lich steigt die mittlere Temperatur nach Öffnen des Kontaktes 34 mit gegenüber dem Anlaufvorgang ver ringerter konstanter Geschwindigkeit weiter, bis auch der Kontakt 35, der den eigentlichen Reglerkontakt bildet, ebenfalls öffnet und die Heizung ausschaltet. Nunmehr schliesst sich infolge der sinkenden Tem peratur der Kontakt 13 und schaltet die Heizung wie der ein, bis er sich infolge der daraufhin steigenden Temperatur wieder öffnet. Jetzt beherrscht also der Kontakt 13 den Regelvorgang, und zwar mit einem Einschaltverhältnis, das kleiner ist als zur Konstant haltung der mittleren Temperatur erforderlich.
Folg lich sinkt die mittlere Temperatur mit geringer kon stanter Geschwindigkeit bis zu demjenigen Wert, wo der Reglerkontakt 35 wieder schliesst, worauf sich das zuletzt beschriebene Spiel wiederholt.
Dadurch wird erreicht, dass die Änderung der mittleren Temperatur des Ofens trotz der grossen Heizleistung, welche für ein rasches Anheizen vor gesehen ist, klein bleibt und sich infolgedessen auch die Raumtemperatur entsprechend langsam ändert, so dass sie durch den Raumthermostaten 33 sehr genau eingehalten werden kann.
Da der Hilfsgrössenfühler 9 bei jeder Belastung der Anlage stets die gleichen Geschwindigkeiten der Änderung der mittleren Temperatur des Ofens be wirkt, ist die Genauigkeit der Einhaltung der Raum temperatur unter allen Umständen gewährleistet. Die Regelung ist, im Gegensatz zur Proportionalregelung, nicht lastabhängig und demgemäss auch unabhängig von der Heizleistung des Ofens.
Da die Änderung der Temperatur am Raum thermostaten 33 langsam erfolgt, bewegt sich die Schwankung innerhalb seiner Schaltdifferenz, das heisst ohne nachteilige Über- und Unterregulierung.
Auch bei der in der Fig. 3 gezeigten Auf-Zu- Regelung lässt sich natürlich, wie dies bereits anhand der Fig. 1 erläutert wurde, die Trägheit des Hilfs- grössenfühlers 9 durch Verwendung eines nach aussen offenen Rohres anstelle des Dehnungsstabes 11 und einen in dieses Rohr eingeschobenen Speicherungs körper, sei diesere nun ein Vollstab oder seinerseits ein Rohr, den jeweiligen Gegebenenheiten der zu regelnden Anlage anpassen.
Die Fig.4 zeigt ein Diagramm, aus dem ein beispielsweiser Verlauf der Auf-Zu-Regelung des elektrischen Ofens der Fig. 3 zu ersehen ist. Über der Zeit t als Abszisse sind als Ordinaten die jewei ligen Temperaturen iü des Ofens in einer Kurve 36 und die zugehörigen Temperaturen des beheizten Raumes in einer Kurve 37 aufgetragen.
Im sägezahn- förmigen Teil der Ofentemperaturkurve 36 sind ausserdem gerade Linienzüge eingezeichnet, welche die mittlere Neigung der Sägezahnkurve, das heisst die mittlere Geschwindigkeit der Temperaturänderung angeben. Im unteren Teil des Diagrammes sind schliesslich als vier zur Abszisse t parallel verlaufende gerade Linien 38 bis 41 die Ein- und Ausschalt temperaturen der beiden Kontaktschalter 34 und 35 eingetragen, und zwar die Linie 38 für das Aus- und die Linie 39 für das Einschalten des Kontaktschal ters 35 und entsprechend die Linie 40 für das Aus- und die Linie 41 für das Einschalten des Kontakt schalters 34.
Das Diagramm lässt erkennen, dass der Kontaktschalter 34 nur einmal ausschaltet, und zwar an der Stelle 42 am Ende des Anfahrvorganges, währenddessen der zu beheizende Raum sich aus dem unbeheizten Zustand heraus erwärmt (vgl. linker Teil der Kurve 37). Die Temperatur des beheizten Rau mes steigt dann mit fortschreitender Zeit t von der Stelle 42 mit wesentlich kleinerer Geschwindigkeit weiter an bis zur Stelle 43, das heisst bis zur Aus schalttemperatur 38 des Kontaktschalters 35, wel cher, wie anhand der Fig. 3 bereits beschrieben, den eigentlichen Reglerkontaktschalter bildet.
Die Raum temperatur 37 pendelt dann mit kleiner Geschwin digkeit nur noch nach Massgabe der Ein- und Aus schaltbewegungen des Kontaktschalters 35 (vgl. Li nien 38 und 39), also in einem Temperaturbereich, der oberhalb des Temperaturbereiches liegt, welcher für das Ein- und Ausschalten des Kontaktschalters 34 massgebend ist (vgl. Linien 40 und 41).
Die Erfindung ermöglicht genau so gut, wie mit den bisher bekanntgewordenen Mitteln die Lösung schwieriger Regelaufgaben mit langen Zeitkonstanten und Totzeiten mit Hilfe einer Kombination des Reglerfühlers mit einem Hilfsgrössenfühler, wodurch die Regelstabilität verbessert, das heisst die Wirkung der Totzeit herabgesetzt wird, jedoch gegenüber den bisher benutzten Regelsystemen mit den Vorteilen eines erheblich kleineren Aufwandes und entspre chend geringerer Kosten.
Control device with control of an actuator by means of an intermediate point controller To solve difficult control tasks with long time constants and dead times, the use of auxiliary variable sensors has become known, which are located within the controlled system or the control loop, but are not installed at the measurement location of the controlled variable itself, but on Locations that are in front of the measuring point of the controller sensor.
This ensures that such auxiliary variable sensors detect a signal migrating through the system before it reaches the controller sensor, and accordingly initiate the control process before this point in time. Such combinations of auxiliary variable sensors with controller sensors improve the control stability by reducing the effect of the dead time.
These already known systems are characterized by the fact that controller sensors and auxiliary variable sensors are in the usual continuous operative connection with one another. For example, in a system with a Wheatstone bridge, both the controller sensor and the auxiliary variable sensor (s) are switched into the bridge, in whose zero branch the resulting control command is recorded, amplified and output.
Furthermore, a constant transmission behavior up to the amplifier output is characteristic of such control systems, which is then passed on to the actuator either continuously or discontinuously or quasi-continuously.
Such systems do their job fully, but are complex and accordingly expensive because they require continuously acting encoders with good linear behavior and a corresponding measuring circuit with amplifier.
The present invention avoids these disadvantages and relates to a control device which works with control of a standing organ by means of a two-point controller using at least one auxiliary variable sensor and is characterized in that the auxiliary variable sensor forms the first derivative of the auxiliary variable and is in an unsteady operative connection with the actuator.
In the drawing, exemplary embodiments of the control device, also referred to below as the control system, according to the invention are schematically illustrated.
1 shows a control system for a hot water central heating system, FIG. 2 shows a control diagram of the control system of FIG. 1, FIG. 3 shows a control system for an electric furnace heater and FIG. 4 shows a control diagram of the control system of FIG.
In Fig. 1, a boiler 1 with a heat generator 2 is provided. The boiler 1 supplies hot water via a supply pipe 3 to a mixing valve 4, which at the same time flows in from a return pipe 5 of the heating system via an admixing pipe 6, so that downstream of the mixing valve 4 there is a corresponding mixing temperature in a mixing supply line 7.
Through the mixing flow line 7, the mixed water is fed to radiators not shown, from which it then flows back via a circulating pump 8 and the return pipe 5 into the boiler 1 or the mixing pipe 6. A sensor 9 is installed in the mixing flow line 7, which acts as an auxiliary variable sensor in such a way that it does not respond to a temperature, but only to a change in temperature.
This is achieved in that the sensing element of the auxiliary variable sensor 9 consists of an expansion tube 10 and an expansion rod 11 located therein made of the same material. The expansion tube 10 and the expansion rod 11 are connected to each other at their lower end mitein. The expansion rod 11 is operatively connected to its upper end via an insulating piece 12 with two contact switches 13 and 14. In the thermal steady state of the auxiliary variable sensor 9, the insulating piece 12 is in the middle between the two contact switches 13 and 14, which are then both closed.
When the temperature rises, the expansion tube 10 of the auxiliary variable sensor 9 initially expands, while the expansion rod 11 of the auxiliary variable sensor 9 only begins to expand later due to its different thermal coupling. This creates a temporary relative expansion between the expansion tube 10 and the expansion rod 11, if the temperature remains constant at the new higher value. As a result of this relative expansion, the contact switch 14 is temporarily opened. The same takes place with the opposite sign when the temperature drops, but then the contact switch 13 is opened.
The two contact switches 13 and 14 are arranged on a common spindle 15 provided with two opposing threads so that they can be displaced against each other, so that the switching distance can be adjusted by hand to the conditions of the system from the outside by means of a rotary knob 16 fastened on the spindle 15 . The two contact switches 13 and 14 are electrically connected in series.
A room thermostat 17 provided with a feedback 18 controls a valve drive 19 via a relay 20 as a regulator, in such a way that the mixing valve 4 is opened via a drive mechanism 21 when the room thermostat 17 closes a regulator contact switch 22 and that it is closed when the room thermostat 17 opens the controller contact switch 22. The supply voltage of the valve drive 19 is routed via the two contact switches 13 and 14 of the auxiliary variable sensor 9.
This control device works as follows: If, for example, the heating system is cold, the control contact switch 22 of the room thermostat 17 is closed, the valve drive 19 works, the mixing valve 4 begins to open, and the mixed water temperature in the mixing flow line 7 increases. As a result, a relative expansion occurs in the auxiliary variable sensor 9 (tube 10 compared to rod 11), so that the contact switch 14 is opened.
This interrupts the circuit to the valve drive 19, so that the drive mechanism 21 and thus the mixing valve 4 remain in its current open position and consequently the mixed water in the mixing feed line 7 initially maintains its current mixing temperature. After the reset time of the auxiliary variable sensor 9 has elapsed, the latter closes its contact switch 14 again.
If the room thermostat 17 continues to demand heat, the mixing valve 4 is turned a second opening step in order to then remain in its open position again after the valve drive 19 has been shut down by the contact switch 14.
This game is repeated until the set (desired) room temperature is reached and the room thermostat 17 opens its controller contact switch 22. However, this has the consequence that the next valve movement of the mixing valve 4 now takes place in the closing direction. The number of valve movement steps of the mixing valve 4 depends on the mutual distance between the two contact switches 13 and 14, on the dead times of the thermal system and on the switching period of the room thermostat 17.
By appropriately adjusting the distance between the two contact switches 13 and 14 it can be achieved that in the stable control process per switching period of the room thermostat 17 a minimum of control steps, eg. B. one or two in each direction comes about.
While ensuring that the desired room temperature is maintained very precisely, this control ensures that the running times of the mixing valve 4 for opening and closing are relatively short and its downtimes are relatively long, so that the mechanical stress on the device is very low.
There is also the possibility of increasing the standstill times of the mixing valve 4 by providing the expansion rod 11 of the auxiliary variable sensor 9 with a large storage capacity, for example by increasing its diameter.
The auxiliary variable sensor 9 can also be constructed in another way in such a way that instead of the expansion rod 11 a tube is provided which is open to the outside and in which storage bodies, such as a tube or solid rods, are provided in order to adapt the inertia of the auxiliary variable sensor 9 as required. can be inserted. In this way, the inertia of the auxiliary variable sensor 9 can be varied within wide limits or adapted to the respective conditions of the system.
Fig. 2 shows a diagram from which an example of a course of a control process, which includes starting up and continuing to regulate the heating system of FIG. 1 can be seen.
Over the time t as the abscissa, the ordinates are the respective opening positions s of the mixing valve 4 in a dashed curve 23 and the associated temperatures ü at three different points of the control system in three corresponding continuously drawn curves 24, 25 and 26, where in the lower part of the diagram along the abscissa t the associated on and off switching time intervals of the controller contact switch 22 of the room thermostat 17 are entered and marked by hatched fields 27 for the switch-on intervals by free gaps 28 between the fields 27 for the switch-off intervals.
The diagram shows that the mixing valve 4 opens gradually in several (e.g. here in four) opening steps during the start-up of the heating system before it reaches its largest opening stroke (1000/9) at a point 29. The line 24 represents the temperature profile in the mixing flow pipe 7 and also shows a gradual increase in the start-up area, the temperature levels corresponding to the opening levels of the mixing valve 4 (cf. dashed curve 23).
The horizontal curve section a occurring at a temperature level of curve 24 corresponds to the dwell or reset time of the auxiliary variable sensor 9. At the end of the first switch-on interval of the thermostat controller contact switch 22, i.e. at the moment when the latter switches off, the mixing valve 4 begins to close at point 30 of curve 23; at the same time, the temperature in the mixing flow pipe 7 begins to fall (cf. curve 24).
As time t progresses, the heating system is in the state of Beharrungszu, the mixing valve 4 occupying a central position which corresponds to the heat requirement for continued heating, which is less than the heating requirement. The curve 25 represents the associated course of the room temperature of the heated rooms, while the curve 26 illustrates the corresponding course of the water temperature in the return pipe 5.
The auxiliary variable sensor can also be used for regular sections with an open-close control. In such controlled systems, such as B. ovens, heat cabinets, baths, etc. often arise due to the thermal inertia in the temperature control large fluctuations that can be a multiple of the switching difference of the controller.
The combination of an auxiliary variable sensor with a controller sensor also has considerable advantages here if the auxiliary variable sensor is installed within the controlled system in front of the controller sensor's measurement location and the heating can be switched on and off independently of the controller sensor, insofar as here, too, by a Such a combination improves the control stability, that is, a reduction in the dead time effect is achieved.
As a result, the aforementioned disadvantages of great effort and high costs when using the previously known combination of controller sensors with continuously operating encoders can be circumvented in a favorable manner by the use of discontinuous encoders proposed according to the invention.
The auxiliary variable sensor, which is used for such open-close controls, has the same structure as it has already been described with reference to Fig. 1 for a hot water heating control, but its two contact switches are not connected in series, but in parallel, one of which controls the heating via the controller sensor and the other controls it directly.
A control system according to the invention for an open-close control is illustrated in FIG. 3 for use in an electric furnace, for example.
In FIG. 3, an oven 31 to be controlled with a built-in electrical heater 32 contains an auxiliary variable sensor 9, which, as in FIG. 1, consists of an expansion tube 10 and an expansion rod 11 made of the same material, an insulating piece 12 and two contact switches 13 and 14 consists. The contact switch 14 is opened when the temperature rises, the contact switch 13 is closed when the temperature falls, while at a constant temperature the contact switch 14, as shown, is closed, but the contact switch 13 is open.
As can be seen from FIG. 3, the two contact switches 13 and 14 are arranged above or below the neutral position of the insulating piece 12 attached to the strain sensor 10, 11. The open-close play of the contact switch 14 is accordingly carried out with a switching ratio that is greater, that of the contact switch 13 with a switching ratio that is smaller than the value necessary to maintain the desired room temperature, so that the rise or fall.
the decrease in the mean temperature takes place at a constant speed, the size of which can be predetermined by the adjustment mechanism (not shown) of the contact switches 13 and 14.
The device also contains a room thermostat 33 as a controller, which is equipped with two contact switches 34 and 35 and in the circuit of which there is a contactor 44 which switches the electric heater 32 on and off.
The contact switch 34 switches on at a slightly lower temperature than the contact switch 35 and is used for rapid heating by bridging the auxiliary variable sensor 9 in the closed state and keeping the heater 32 switched on regardless of its contact position. If the contact 34 opens when a certain temperature is exceeded, the heater 32 is switched off first because the contact 14 of the auxiliary variable sensor (9) is still open due to the temperature rising up to that point.
The temperature drops as a result, and the auxiliary variable sensor then switches the heating on again by closing the contact 14, whereby the temperature rises again and the heating is switched off again by opening the contact 14, and so on. The open and closed play of the contact 14 takes place with a duty cycle that is greater than that required to keep the temperature constant.
Folg Lich the mean temperature increases after opening the contact 34 at a constant speed reduced compared to the start-up process, until the contact 35, which forms the actual controller contact, also opens and the heater turns off. Now the contact 13 closes as a result of the falling temperature and switches the heating on again until it opens again as a result of the temperature rising. So now the contact 13 dominates the control process, with a duty cycle that is smaller than required to keep the mean temperature constant.
As a result, the mean temperature drops at a low constant speed to the value where the regulator contact 35 closes again, whereupon the game described last is repeated.
This ensures that the change in the mean temperature of the furnace remains small despite the large heating power, which is seen for rapid heating, and consequently the room temperature changes slowly so that it can be maintained very precisely by the room thermostat 33 .
Since the auxiliary variable sensor 9 always acts at the same rate of change in the mean temperature of the furnace with every load on the system, the accuracy of compliance with the room temperature is guaranteed under all circumstances. In contrast to proportional control, the control is not load-dependent and therefore also independent of the heating output of the furnace.
Since the change in temperature at the room thermostat 33 takes place slowly, the fluctuation is within its switching differential, that is to say without disadvantageous overregulation and underregulation.
Also with the open-close control shown in FIG. 3, as has already been explained with reference to FIG. 1, the inertia of the auxiliary variable sensor 9 can of course be reduced by using an outwardly open tube instead of the expansion rod 11 and an in this tube inserted storage body, be it a solid rod or a tube, adapt to the particular conditions of the system to be controlled.
FIG. 4 shows a diagram from which an exemplary course of the open-close control of the electric furnace of FIG. 3 can be seen. The respective temperatures iü of the furnace in a curve 36 and the associated temperatures of the heated room in a curve 37 are plotted as the ordinates over the time t as the abscissa.
In the sawtooth-shaped part of the furnace temperature curve 36, straight lines are also drawn in which indicate the mean slope of the sawtooth curve, that is to say the mean speed of the temperature change. In the lower part of the diagram, as four straight lines 38 to 41 running parallel to the abscissa t, the switch-on and switch-off temperatures of the two contact switches 34 and 35 are entered, namely line 38 for switching off and line 39 for switching on Contact switch 35 and accordingly the line 40 for switching off and line 41 for switching on the contact switch 34.
The diagram shows that the contact switch 34 only switches off once, namely at point 42 at the end of the start-up process, during which the room to be heated is heated from the unheated state (cf. left part of curve 37). The temperature of the heated room then rises as the time t progresses from the point 42 at a much slower speed to the point 43, that is, up to the switching temperature 38 of the contact switch 35, wel cher, as already described with reference to FIG. forms the actual controller contact switch.
The room temperature 37 then oscillates at a low speed only in accordance with the on and off switching movements of the contact switch 35 (see. Lines 38 and 39), ie in a temperature range that is above the temperature range that is used for the on and off Turning off the contact switch 34 is decisive (see. Lines 40 and 41).
The invention enables the solution of difficult control tasks with long time constants and dead times with the help of a combination of the controller sensor with an auxiliary variable sensor, which improves the control stability, i.e. the effect of the dead time is reduced, but compared to the previous ones, just as well as with the previously known means used control systems with the advantages of considerably less effort and correspondingly lower costs.