DE1053826B - Temperaturregelungseinrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Regelanlagen mit der Temperatur als Regelgröße gehören zu den am meisten verwendeten Regelanlagen. Eine derartige Temperaturregelungseinrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Inder Regelstrecke 1 soll die Temperatur konstant gehalten werden. Zur Erfassung der Temperatur ist ein Thermoelement 2 vorgesehen, das an einen Regler 3 angeschlossen ist, der beispielsweise mit einem Drehspulmeßwerk ausgerüstet sein kann. Der Reglerausgang, der elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch ausgeführt sein kann, wirkt auf den Stellmotor 4 und das Stellglieds ein, das den Stellstromö so beeinflußt, daß die Temperatur in der Regelstrecke 1 konstant gehalten wird. Um ein rasches Abklingen der Regelabweichungen nach einer Störung zu erzielen, wird mit Hilfe der Stabilisiereinrichtungen im Regler ein möglichst günstiges Arbeitsverhalten eingestellt. Zu diesem Zweck können Proportionalbereich, Nachstellzeit und Vorhaltezeit verändert werden.

Erfahrungsgemäß liegen die Eigenschaften einer Regelstrecke mit ausgesprochener Totzeit, bei welcher das Verhältnis der Totzeit zur Zeitkonstante etwa gleich Eins ist, besonders ungünstig. Ein derartiger Fall liegt beispielsweise bei der Dampftemperaturregelung eines Kessels vor (Fig. 2). Gewöhnlich wird der von der Kesseltrommel 7 kommende Sattdampf in einem Vorüberhitzer 8 über den Temperatursollwert hinaus erhitzt. Zwischen dem Vorüberhitzer 8 und dem dahinterliegenden Nachüberhitzer 9 wird die Dampftemperatur in einem Kühler 20 je nach Bedarf herabgesetzt. Dies kann durch Einspritzung von Frischwasser, durch Kühlung mittels Speisewassers oder auch durch Mischung mit Sattdampf geschehen. Die Temperatur des Dampfes, die am- Ausgang des Nachüberhitzers 9 gemessen wird, soll innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden. Sie wird mittels des Thermoelementes 2 gemessen. Der Thermoelementstrom wird dem Regler 3 zugeführt. Die beiden Thermoelemente 10 und 11 seien vorläufig aus der Schaltung weggedacht. Ihre Aufgabe wird später erläutert werden. Die beiden Überhitzer 8 und 9 bilden zusammen mit dem Dampfkühler 20 eine Regelstrecke mit sehr schlechten Regeleigenschaften. Wird nämlich Kühlwasser eingespritzt, so macht sich die Kühlwirkung des eingespritzten Wassers am Ausgang des Nachüberhitzers erst dann bemerkbar, wenn nicht nur der Dampf, sondern auch die thermisch trägen Überhitzerrohre auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt sind. Erfahrungsgemäß kann der Durchlauf einer solchen Kühlwelle bis zu einigen Minuten dauern, so daß sich eine im Vergleich zur Zeitkonstante der Regelstrecke sehr große Totzeit ergibt. Der Regler 3 wird also über den Stellmotor 4 und das Stellglied des Kühlers 20 nur sehr verzögert in Temperaturregelungseinrichtung

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs -G. m. b. H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22

Dipl.-Ing. Erwin Samal, Heiligenhaus

(Bez. Düsseldorf),
ist als Erfinder genannt worden

den Regelvorgang eingreifen. Mit einer solchen Einrichtung ist es sehr schwierig, die Temperatur in engen Grenzen zeitlich konstant zu halten.

Es sind daher bereits auch Maßnahmen zur Verbesserung solcher Regelstrecken bekanntgeworden. Der Regelungsvorgang läßt sich bereits durch die Verwendung eines sogenannten Tendenzthermoelementes wesentlich günstiger gestalten. Dieses besteht gemäß Fig. 2 aus den beiden einander entgegengeschalteten Thermoelementen 10 und 11, deren Zeitkonstanten stark voneinander abweichen. Das Thermoelement 10 besitzt eine extrem kleine Zeitkonstante, die dadurch erzielt wird, daß das Thermoelement zur Erreichung eines guten Wärmeüberganges meist direkt in den Boden der Thermoelementarmatur eingeschweißt ist. Das Thermoelement 11 weist eine wesentlich größere Zeitkonstante auf, da seine Lötstelle durch eine zusätzliche Wärmeisolation gegen die Armatur abgeschützt ist. Im statischen Betrieb, d. h. wenn die zeitlichen Temperaturänderungen Null sind, heben sich die Thermospannungen der Elemente 10 und 11 auf, so daß also die Ausgangsspannungen des Tendenzthermoelementes gleich Null ist. Sobald nun eine Temperaturänderung auftritt, spricht das Thermoelement 10 wesentlich schneller an als das Thermoelement 11, so daß das Tendenzthermoelement eine Differenzspannung abgibt, die der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur etwa proportional ist. Da gemäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 die Spannung des Tendenzthermoelementes mit der Spannung des Thermoelementes 2 in Reihe geschaltet ist, erhält der Regler 3 bereits lange vor Abruf der ohne Tendenzelement vorhandenen Totzeit einen Regelimpuls, der so gerichtet ist, daß die Temperaturänderung verkleinert und rückgängig gemacht wird. Im Endergebnis zeigen also Temperaturregler mit

80Ϊ 787/285

Tendenzthermoelement bereits wesentlich günstigere Regeleigenschaften als Regler ohne dieses Zusatzelement.

■ Trotzdem besitzen aber auch die in beschriebener Weise verbesserten Temperaturregler eine Reihe von Nachteilen, die kn folgenden kurz aufgezählt seien:

1. Der Regler erhält durch die Reihenschaltung des Thermoelementes 2 mit dem Tendenzthermoelement 10, 11 einen Mischimpuls, so daß das Reglermeß werk eine Temperatur anzeigt, die nicht der Dampf temperatur am Uberhitzerausgang entspricht. Durch die Verwendung eines Tendenzthermoelementes wird also ein weiteres Thermoelement erforderlich, das zur Messung der Dampftemperatur dient. Dieses Thermoelement 2a ist zusammen mit seinem Anzeigegerät3ο in Fig. 2 gestrichelt angedeutet. Damit ist bereits der technische Aufwand gegenüber einem Regler ohne Tendenzthermoelement wesentlich vergrößert.

2. Erfahrungsgemäß wird die Differenzspannung zweier zu einem Tendenzthermoelement zusammengeschalteter Thermoelemente auch bei stationären Verhältnissen nie ganz zu Null, da infolge der Ungleichmäßigkeiten im Temperaturfeld immer kleine Spannungsunterschiede bestehenbleiben. Die Anzeige des Reglermeßwerkes wird also auch im stationären Betrieb verfälscht.

3. Zur Erzielung kleiner Totzeiten ist es erwünscht, daß die Thermoelemente 2 und 10 möglichst rasch ansprechen. Ein guter thermischer Kontakt wird also dadurch hergestellt, daß die Thermoelemente entweder in den Boden der Schutzrohre eingeschweißt oder gegen diesen angepreßt werden. Nachteilig ist dabei, daß sich mit dem thermischen Kontakt zwangläufig auch ein galvanischer Kontakt ergibt, weil ja die einzelnen Thermoelemente galvanisch miteinander verbunden sind. Es ist deshalb erforderlich, daß zwei von den insgesamt drei Thermoelementen galvanisch gegen ihre Schutzrohre isoliert werden, wodurch sich zugleich die Wärmeübergangswiderstände in diesen Elementen wesentlich erhöhen.. Isoliert man also, wie in der Zeichnung angegeben, die Thermoelemente 10 und 11 gegen ihre Schutzrohre, so macht sich dies beim Thermoelement 10 sehr störend bemerkbar, weil ja gerade dieses Thermoelement unverzögert anzeigen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Temperaturreglern mit Haupt- und Tendenzthermoelement die beschriebenen Nachteile zu vermeiden, was dadurch erreicht wird, daß die Differenzspannung des Tendenzthermoelementes auf einen Meßwertumformer gegeben wird, dessen Ausgang von dem Eingang galvanisch getrennt ist und der die an seinem Eingang auftretende Gleichspannung in eine zu dieser proportionale andere elektrische Größe umwandelt, die damn mit der vom Hauptthermoelement über einen zweiten Meßwertumformer gewonnenen, der Regelabweichung proportionalen elektri-, sehen Größe gleichen Charakters so in Reihe geschaltet ist, daß die Summe dieser Größen den Verstärker des Reglers in gewünschter Weise aussteuert.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist in Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich hier ebenfalls um eine Einrichtung zur Regelung der Dampftemperatur, die teilweise derjenigen nach Fig. 2 entspricht. Einander entsprechende Teile sind daher auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Meßwertumformer 12 wird von der Differenzspannung des Tendenzthermoelementes 10, 11 beaufschlagt und wandelt diese Spannung in eine zu ihr proportionale Wechselspannung um. Das Hauptthermoelement 2 : speist das als" Drehspulinstrument ausgeführte Anzeigegerät 25 des Reglers 3. Dieses Anzeigegerät bildet nun zusammen mit dem Teil 13 ebenfalls einen Meßwertumformer, der eine zur Spannung des Hauptthermoelementes 2 proportionale Wechselspannung liefert. Die Ausgaiigswech.sd.spannungen der Meßwertumformer 12 und 13 werden unter Beachtung der Phasenlage so in Reihe geschaltet, daß die den Verstärker 14 aussteuernde Differenzwechselspannung

ίο der Spannungsdifferenz proportional ist, die bei einer direkten Gegeneinanderschaltung von Hauptthermoelement 2 und Tendenzthermoelement 10, 11 entstehen würde.

Die Wirkungsweise des Meßwertumformers 12 sei an Hand der Fig. 4 erläutert:

Die Gleichspannung des Tendenzthermoelementes 10, 11 wirkt auf die Drehspule 21 ein, die innerhalb des zwischen Kernmagnet 15 und Rückschluß ring 16 gebildeten Luftspaltes drehbar gelagert ist. Die Spiralfeder 17 dient zusammen mit einer zweiten, nicht dargestellten Feder auf der Rückseite in bekannter Weise zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes und zur Stromzuführung. Mit der Drehspule 21 ist ein Zeiger 23 verbunden, der außer seiner Funktion als Anzeigegerät die Aufgabe hat, die Schwenkspule

'■ ' 18 innerhalb des Eisenkreises 19 zu bewegen. Dieser Eisenkreis 19 wird durch eine Spule 26 erregt, die ihrerseits über den mit einem Abgriff versehenen Widerstand 27 an einer Wechselstromquelle liegt. In der Schwenkspule 18 wird also eine Wechselspannung induziert, die in ihrer Größe und Phasenlage von der Stellung der Schwenkspule 18 abhängig ist. Die Einzelteile des Meßwertumformers lassen sich so aufeinander abstimmen, daß die in der Schwenkspule 18 induzierte Wechselspannung der an der Drehspule 21 liegenden Eingangsgleichspannung proportional ist. Solange sich die Schwenkspule 18 in der Symmetrielage befindet, ist die in ihr induzierte Wechselspannung gleich Null. Bei Auslenkung nach beiden Seiten steigt die Schwenkspulspannung etwa linear mit dem Auslenkwinkel an, wobei die Phasenlage der Spannung in der einen Ausschlagsrichtung gegenüber derjenigen in der entgegengesetzten Richtung um 180° verschoben ist. Die Erregung der Spule 26 kann mit Hilfe des Widerstandes 27 auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Damit läßt sich der Einfluß des Tendenzthermoelementes im Erregerkreis je nach Bedarf im Bereich von 0 bis 100% verändern.

Der Meßwertumformer 13 (Fig. 3) besitzt denselben grundsätzlichen Aufbau wie der in Fig. 4 beschriebene Meßwertumformer 12. Seine Drehspule 25 ist ebenfalls mit der Schwenkspule gekoppelt. Da auf die Schwenkspule und damit auch auf die Drehspule vom Erregereisen her kein Drehmoment einwirkt, ist die Stellung der Spule 25 ein unverfälschtes Maß für die Dampftemperatur am Ausgang des Überhitzers. Mit diesem Drehspulinstrument wird also zugleich die genaue Dampftemperatur angezeigt.

Während der Meßwertumformer 13, das Temperaturanzeigeinstrument und der Verstärker 14 gemeinsam im Reglergehäuse 3 untergebracht sind, wird der Meßwertumformer 12 zweckmäßig als getrenntes Bauelement ausgeführt.

In Fig. 5 ist ein derartiges Bauelement 22 in Frontansicht gezeigt. Der Zeiger 23 des Meßwertumformers steht im stationären Zustand über einer Nullmarke. Bei Temperaturänderungen entfernt er sich von dieser Marke, so daß das Wirksamwerden des Tendenzthermoelementes erkennbar ist. Mit Hilfe des Drehknopfes 24 wird der in Fig. 3 dargestellte Widerstand

27 verändert. Aus der Stellung des Drehknopfes läßt sich jederzeit die Größe des Tendenzeinflusses auf einer in Prozenten geeichten Skala ablesen.

Die Ausgangsspannung des Reglerverstärkers 14 (Fig. 3) wirkt direkt oder auch über pneumatische bzw. hydraulische Hilfsglieder auf den Stellmotor 4, der die Menge des in den Dampfkühler 20 einzuspritzenden Wassers einstellt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung, deren technische Ausführungsform nicht auf das in Fig. 3 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, vermeidet alle unter Punkt 1 bis 3 angeführten Mängel der bekannten Einrichtungen. Es ist weder ein Zusatzgerät zur Dampftemperaturmessung erforderlich, noch wird die Anzeige der Dampftemperatur im stationären Betrieb verfälscht. Da mit Hilfe der Meßwertumformer das Hauptthermoelement galvanisch von dem Tendenzthermoelement getrennt wird, kann sowohl das Thermoelement 2 als auch das Thermoelement 10 direkt mit der Schutzarmatur verschweißt werden, wodurch sich eine sehr geringe Totzeit des Reglers ergibt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Temperaturregelungseinrichtung mit einem Haupt- und einem Tendenzthermoelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung des Tendenzthermoelementes auf einen Meßwertumformer gegeben wird, dessen Ausgang von dem Eingang galvanisch getrennt ist und der die an seinem Eingang auftretende Gleichspannung in eine zu dieser proportionale andere elektrische Größe umwandelt, die dann mit der von dem Hauptthermoelement über einen zweiten Meßwertumformer gewonnenen, der Regelabweichung proportionalen elektrischen Größe gleichen Charakters so in Reihe geschaltet ist, daß die Summe dieser Größen den Verstärker des Reglers in gewünschter Weise aussteuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Hauptthermoelement als auch das eine Teilelement des Tendenzthermoelementes galvanisch mit der gesamten Armatur verbunden sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Meßwertumformer je ein Drehspulmeßwerk mit starr befestigter Schwenkspule aufweisen, die sich im Wechselfeld je eines Erregermagneten bewegt, wobei die in den Schwenkspulen induzierten Wechselsparmungen den eingangsseitig auf die Meßwertumformer gegebenen Gleichspannungen proportional sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des mit dem Tendenzthermoelement verbundenen Meßwertumformers beliebig eingestellt werden kann, so daß der Einfluß des Tendenzthermoelementes den praktischen Erfordernissen entsprechend der Regelstrecke angepaßt werden kann.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche System des Meßwertumformers einen Zeiger trägt, dessen Abweichung von einer Nullmarke das Wirksamwerden des Tendenzeinflusses erkennen läßt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 894 631;

W. Oppelt, Stetige Regelvorgänge, Wolfenbüttel-Hanriover, 1947, S. 27, Bild 6;

Zeitschrift »Regelungstechnik«, 1 (1953), S. 166 bis 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 787/285 3.