-
Vorrichtung zum Messen oder Regeln einer veränderlichen Größe auf
elektrischem Wege Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen oder
Regeln einer veränderlichen Größe auf elektrischem Wege.
-
Regelvorrichtungen sind bekannt, bei denen eine von der zu messenden
Größe, Z. B. einer Temperatur, abgeleitete Spannung einem Verstärker zugeführt
wird, dessen Ausgangsspannung auf ein Regelorgan einwirkt, z. B. auf ein oder mehrere
Relais oder auf einen elektrischen Motor, derart, daß, wenn die Größe von einem
bestimmten gewünschten Wert abweicht, das Regelorgan tätig wird und eine solche
Regelung bewirkt, daß die ursprüngliche Abweichungganz oder teilweise ausgeglichen
wird.
-
Auf ähnliche Weise ist auch eine Aufzeichnung einer veränderlichen
Größe möglich. Zu diesem Zweck kann entsprechend Fig. 1 vorgegangen werden.
-
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 besteht aus einer Brücke
mit drei Widerständen 1, 2 und 3, von denen der erste veränderlich
ist und von der aufzuzeichnenden Größe abhängt. Der Widerstand 1 kann z.
B., falls diese Größe die in einem Raum, z. B. in einem Ofen, herrschende Temperatur
darstellt, ein Widerstand mit einem verhältnismäßig hohen Temperaturkoeffizienten
sein, der im genannten Raum oder in seinerNähe untergebracht ist. DerWiderstand2
hat einen festen Wert, und der Widerstand 3 ist als ein Spannungsteiler mit
Schiebekontakt 5 ausgebildet.
-
Die Brücke kann mit Gleichspannung gespeist werden; entsprechend Fig.
1 wird sie jedoch vorzugsweise mit Wechselspannung gespeist. Zu diesem Zweck
ist die eine Brückendiagonale an die Sekundärwicklung 7
eines Transformators
angeschlossen, dessen Primärwicklung 8 mit dem Netz verbunden ist. Die Brückendiagonale
zwischen dem Schiebekontakt 5 und dem gemeinsamen Punkt 10 der Widerstände
1 und 2 ist an den Eingangskreis eines Verstärkers 4 angeschlossen, der eine
oder mehrere Verstärkerröhren besitzen und mit einem Gleichrichter kombiniert sein
kann, dessen Ausgangsspannung eine Vorrichtung steuert, welche die Drehrichtung
eines Motors 6 entsprechend der Phase der Ausgangsspannung bestimmt. Die
Motorwelle ist über eine mechanische Übersetzung mit dem Schiebekontakt
5 verbunden, wie gestrichelt dargestellt ist.
-
Wenn infolge einer Änderung der aufzuzeichnenden Temperatur sich der
Widerstand 1 ändert, wodurch das Brückengleichgewicht gestört wird, tritt
im Eingangskreis des Verstärkers 4 eine Spannung auf. Unter dem Einfluß der verstärkten
Spannung wird der Motor betätigt. Bei Wechselstromspeisung soll der Verstärker Mittel
besitzen, um die Polarität der Ausgangsspannung von der Phase der Eingangsspannung
abhängig zu machen. Zu diesem Zweck soll dem Verstärker außerdem eine Spannung aus
dem Wechselstromnetz zugeführt werden. Der Motor 6 verstellt den Schiebekontakt
5 des Spannungsteilers 3 derart, daß das gestörte Brückengleichgewicht
wiederhergestellt wird, wonach keine weitere Spannung im Ausgangskreis des Verstärkers
4 auftritt und der Motor wieder ab#stoppt.
-
Diese Wirkung tritt bei jeglicher Abweichung des Brückengleichgewichts
auf, die von einer Änderung der aufzuzeichnenden Größe herrührt; die Lage des Schiebekontaktes
5 bildet also immer ein Maß für den Augenblickswert dieser Größe. Eine Aufzeichnung
derselben ist also erzielbax, wenn ein Aufzeichenorgan mechanisch mit dem Schiebekontakt
verbunden wird.
-
Die geschilderte Vorrichtung kann auch als Regler betrachtet werden,
der die zwischen dein Punkt 10 und dem Schiebekontakt 5 herrschende
Spannung immer bis auf den Wert Null regelt.
-
Der Vorrichtung nach Fig. 1 haftet der Nachteil an, daß bei
Wechselstromspeisung der Brücke ein phasenempfindlicher Gleichrichter, der
je nachdem die Brücke in einem oder im anderen Sinne außer Gleichgewicht
ist, eine verschiedene Steuerspannung liefert oder aber ein phasenempfindlicher
Wechselstrommotor verwendet werden muß. Weiter ist häufig die Netzfrequenz von
50 Hz zu niedrig, so daß es notwendig ist, einen Oszillator zu verwenden,
der eine Speisespannung von höherer Frequenz liefert. Bei der Speisung aus dem Netz
mit einer Frequenz von 50 Hz ist nämlich eine hinreichend schnelle Einstellung
nicht immer möglich. Weiter soll in diesem Fall die RC-Zeit des
Filters
bei dem zu verwendenden Gleichrichter mindestens gleich 1/5o Sekunde sein, vorzugsweise
mehr, wodurch manchmal bereits bei einer ziemlich geringen Verstärkung unstabilität
infolge der auftretenden Phasendrehung entsteht.
-
Diese Nachteile treten nicht bei Vorrichtungen auf, bei denen die
Speisespannung in der Schaltung selbst erzeugt wird. Eine solche bekannte Vorrichtung,
die zur Regelung einer veränderlichen Größe, z. B. einer Temperatur, dienen kann,
ist in Fig. 2 dargestellt.
-
In dieser Figur ist z. B. mit 14 ein Ofen bezeichnet, in dem die Temperatur
konstant gehalten werden soll; der Widerstand 1 kann ein Widerstand mit positivem
oder negativem Ternperaturkoeffizienten sein, der im Ofen oder in se#iner
Nähe angeordnet ist. Das Regelorgan, das die Energiezufuhr zum Ofen regelt
und im vorliegenden Fall als ein Ventil dargestellt ist, ist mit 13 bezeichnet.
Dieses Organ wird von einer Relaiseinrichtung 9 bedient. Der Verstärker 4
liegt wieder an der Brückendiagonale zwischen dem Schiebekontakt 5 und dem
Punkt 10, und der Ausgangskreis des Verstärkers ist an die Primärwicklung
11 eines Transformators angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 12 an der
zweiten Diagonalen der Brücke liegt.
-
Es gibt also eine Rückkopplung für den Verstärker über die Brücke.
Wenn die Brücke außer Gleichgewicht gerät, weil sich der Widerstand 1 in
einem bestimmten Sinne ändert, werden infolge der hierbei auftretenden positiven
Rückkopplung Schwingungen erzeugt, unter deren Einfluß das Relais 9 betätigt
wird. Die Frequenz der Schwingungen wird von im Verstärker untergebrachten Kopplungsgliedern
bedingt, die durch abgestimmte Kreise von Induktivität und Kapazität gebildet sein
können. Man ist hierbei nicht an eine bestimmteFrequenz der erzeugten Schwingungen
gebunden und kann diese also viel höher als die Netzfrequenz wählen. Es werden nur
Schwingungen erzeugt, wenn die Brücke im richtigen Sinne außer Gleichgewicht gesetzt
wird. Wird die Brücke im anderen Sinne außer Gleichgewicht gesetzt, so tritt eine
negative Rückkopplung des Verstärkers über die Brücke auf, und es können keine Schwingungen
entstehen.
-
Vorausgesetzt wird, daß die Einrichtung derart getroffen ist, daß
bei einer zu hohen Temperatur des Ofens 14 der Wert des Widerstandes 1 kleiner
wird, wodurch das Brückengleichgewicht derart gestört wird, daß eine positive Rückkopplung
des Ausgangskreises zum Eingangskreis des Verstärkers 4 über der Brücke auftritt.
Auch das umgekehrte ist möglich, d. h., daß eine positive Rückkopplung bei
einer zu niedrigen Ofentemperatur auftritt. Infolge der erzeugten Schwingungen wird
im Verstärker 4 eine derartige Regelspannung erzeugt, daß das Relais 9 die
Energiezufuhr zum Ofen 14 unterbricht oder verringert. Die Temperatur des Ofens
14 wird infolgedessen wieder absinken, wodurch der Wert des Widerstandes
1 wieder ansteigt, 'bis die Brücke wieder im Gleichgewicht und die Rückkopplung
gleich Null ist. Die Schwingungen hören dann auf, wodurch die Energiezufuhr wieder
gesteigert wird und die Ofenternperatur wieder ansteigt. Es versteht sich, daß bei
einer Einrichtung, bei der bei einer zu niedrigen Ofentemperatur eine positive Rückkopplung
auftritt, die Energiezufuhr beim Auftreten von Schwingungen gerade vergrößert werden
muß.
-
Bei der geschilderten Regelung treten immer regelmäßige Sch-,vankungen
der zu regelnden Größe auf. Grundsätzlich handelt es sich um eine sogenannte Ein-Aus-Regelung.
Die Schaltung besorgt selbst die Stromversorgung der Brücke, jedoch nur dann, wenn
dies erforderlich ist, nämlich wenn die Brücke nach einer bestimmten Seite außer
Gleichgewicht geraten ist. Die Vorrichtung hat den Vorzug, daß sie keinen phasenempfindlichen
Gleichrichter braucht. Ohne besondere Maßnahmen läßt sich aber diese Vorrichtung
nicht zurn Aufzeichnen der Größe verwenden.
-
DieErfindung zielt darauf ab, gewisseNachteile der bekannten Vorrichtung
zu beseitigen, und besteht darin, daß bei einer Vorrichtung zum Messen oder Regeln
einer veränderlichen Größe, z. B. einer Temperatur, auf elektrischem Wege, die mit
einem Verstärker für eine von dieser Größe abgeleiteten Spannung versehen ist, wobei,
sobald die Größe von einem bestimmten Wert abweicht bzw. sich ändert, eine Rückkopplung
von dem Ausgangskreis zum Eingangskreis des Verstä,rkers entsteht, so daß Schwingungen
erzeugt werden, von denen eine Regelspannung abgeleitet wird, unter deren Einfluß
ein Aufnahme- oder Regelorgan betätigt wird, der Verstärker derart eingerichtet
ist, daß in zwei verschiedenen Frequenzbereichen die Phasendrehung für eine Frequenz
des einen Bereiches derart verschieden ist von der für eine Frequenz des anderen
Bereichs und überdies die Verstärkung so 'hoch ist, daß bei einer Abweichung bzw.
Änderung der Größe im einen Sinne Schwingungen von der einen Frequenz und bei einer
Abweichung bzw. Ände# rung im anderen Sinne Schwingungen von der anderen Frequenz
erzeugt werden.
-
Hierbei kann der Eingangskreis des Verstärkers wieder an die eine
und der Ausgangskreis an die andere Diagonale einer Brücke angeschlossen sein. Entsprechend
dem Sinne, in dein die Größe abweicht oder sich ändert, wird das Brückengleichgewicht
im einen oder im anderen Sinne Gestörte und es sind Mittel vorgesehen, um aus den
erzeugten Scl-iwingungen verschiedene, z. B. positive oder negative Spannungen abzuleiten,
je nachdem die Brücke im einen oder anderen Sinne außer Gleichgewicht ist.
-
Die Einrichtung kann auch derart sein, daß Spannungen an verschiedenen
Klemmen auftreten, je
nachdem die Brücke im einen oder im anderen Sinne außer
Gleichgewicht ist.
-
Die abgeleiteten Spannungen können eine solche Steuerung bewirken,
daß das Gleichgewicht wiederhergestellt wird, z. B. indem bei einer Regelvorrichtung
ein Ventil in der Energiezufuhr betätigt wird, wodurch der ursprüngliche Wert der
Größe wiederhergestellt wird. Bei einem Aufzeichnungsapparat kann ein Schiebekontakt
eines Spannungsteilerwiderstandes der Brücke derart verstellt werden, daß die Brücke
nach jeder Änderung einer aufzuzeichnenden Größe sich wieder ins Gleichgewicht setzt.
-
Wenn die Größe bei einer Regelvorrielltung nahezu den gewünschten
Wert hat, ist die Selbsterregungsbedingung nicht weiter erfüllt, und es treten keine
weiteren Schwingungen auf, so daß auch keine Regelspannung mehr erzeugt wird. Es
gibt hier drei verschiedene Möglichkeiten, und es kann also eine sogenannte Dreilagenregelung
erhalten werden, bei der die Schwankungen einer zu regelnden Größe viel kleiner
als bei einer Ein-Aus-Regelung gehalten werden können.
-
Die Anordnung nach Fig. 2, bei der bei Nichtanwendung der Erfindung
nur bei Abweichung in einer einzigen Richtung Rückkopplung auftritt, 'kann durch
Anwendung der Erfindung als Aufzeichnungsgerät geeignet gemacht werden. In diesem
Fall wird der Verstärker 4, wie oben geschildert, eingerichtet.
Die
erzeugten Regelspannungen können einen Motor in der einen oder in der anderen Richtung
betätigen, entsprechend dem Sinne, in dem die aufzuzeichnende Größe abweicht. Der
Motor stellt anschließend in beiden Fällen das Gleichgewicht der Brücke wieder her,
indem der Kontakt des in die Brücke eingeschalteten Spannungsteilers verschoben
wird.
-
Es entsteht dann die in Fig. 3 schematisch dargestellte Einrichtung,
bei der z. B. die Temperatur in einem Ofenraum 14 aufgezeichnet wird, Im Verstärker4
können in der geschilderten Art Schwingungen mit zwei Frequenzen erzeugt werden,
von denen zwei verschiedene Regelspannungen abgeleitet werden, die den Motor
6 in der einen oder in der anderen Richtung betätigen. Der Schiebekontakt
5 wird infolgedessen derart verschoben, daß eine Änderung des Widerstandes
1, die von einer Änderung der aufzuzeichnenden Größe herrührt, ausgeglichen
und das Brückengleichgewicht wiederhergestellt wird. Ein Phasengleichrichter kann
hierbei fortfallen.
-
Fig, 4 zeigt et-Nvas ausführlicher eine Aufzeichnungsvorrichtung nach
der Erfindung. Der Widerstand, dessen Wert von einer aufzuzeichnenden Größe abhängt,
ist wieder mit 1 bezeichnet. Die zwischen dem Schiebekontakt 5 und
Erde auftretende Spannung, wenn die Brücke aus dem Gleichgewicht ist, wird dem Eingangskreis
der ersten Röhren 15 und 16 des Verstärkers zugeführt. Der Anodenkreis
der Röhre 15
enthält einen auf eine bestimmteTrequenz abgestimmten Kreis
18, der Anodenkreis der zweiten Röhre 16
besitzt einen auf eine zweite
Frequenz abgestimmten Kreis 19, Die zwei genannten Frequenzen können verhältnismäßig
nahe beieinanderliegen.
-
Von einer dritten Röhre 17 ist das Steuergitter über zwei Kopplungsspulen
20 und 21 mit der Kathode verbunden. Die Spule 20 ist mit dem Kreis 18, die
Spule 21 mit dem Kreis 19 gelOPPelt, wobei die Kopplungen entgegengesetzt
sind. Die Anode der Röhre 17 ist über eine Primärtransformatorwicklung
11 mit dem positiven Pol der Speisequelle verbunden. Die Sekundärtransformatorwicklung
12 speist die Brücke, Wenn die Brücke im Gleichgewicht ist, werden im Verstärker
keine Schwingungen erzeugt. Falls aber infolge einer Schwankung der aufzuzeichnenden
Größe sich der Widerstand 1 ändert, so daß die Brücke genÜgend aus dem Gleichgewicht
kommt, treten Schwingungen auf, deren Frequenz vom Sinne der Gleichgewichtsstöruno,
abhängt, da bei einer Störung im einen Sinne die Rückkopplung für die, eine Röhre
und bei einer Störung im anderen Sinne die Rückkopplung für die andere Röhre positiv
ist. Wenn also z. B. die Ofentemperatur aufgezeichnet und diese Ternperatur niedriger
wird, werden Schwingungen von einer Frequenz fi erzeugt, während Schwingungen von
der anderen Frequenz f2 auftreten, wenn die Temperatur ansteigt. Aus den
Schwingungen werden durch die Gleichrichter 22, 23 und die Widerstände 24,
25
Regelspannungen abgeleitet. Dies kann derart erfolgen, daß bei einer Gleichgewichtsstörung
im einen Sinne eine Regelspannung über der Leitung 26 auftritt; wird hingegen das
Gleichgewicht im anderen Sinne gestört, so tritt eine Regelspannung über der Leitung
27 auf. Diese Regelspannungen wirken mittels der Vorrichtung 28, die ein
oder mehrere Relais enthalten kann, in entgegengesetztem Sinne auf die Drehrichtung
des Motors ein, der den Schiebekontakt 5 antreibt. Man kann auch den Motor
dauernd arbeiten lassen und mittels Relais betätigte mechanische Kupplungen zwischen
dem Motor und dem Schiebekontakt5 verwenden, der also in beiden Richtungen verschiebbar
ist, entsprechend dem Sinne der ursprünglichen Änderung. Die Bewegung des Schiebekontaktes
ist derart, daß das Brückengleichgewicht immer wiederhergestellt wird.
-
Die Vorrichtung kann für die Regelung dienen, wenn die Regelspannungen
das Energieventil für den Ofen 14 steuern.
-
Im allgemeinen soll der Verstärker die Bedingung erfüllen, daß er
für zwei verschiedene Frequenzen eine beträchtliche Verstärkung und bei diesen Frequenzen
um 180' verschiedene Phasendrehungen bewirkt. Hierdurch wird erreicht, daß
bei einer Abweichung im einen Sinne, wenn die Diagonalspannungen der Brücke miteinander
in Phase sind, für die eine Frequenz die Selbsterregungsbedingung erfüllt und, wenn
die Diagonalspannungen miteinander in Gegenphase sind, für die zweite Frequenz die
Bedingung erfüllt ist.
-
Fig. 5 zeigt eine etwas andere Ausbildung eines Verstärkers
für die Vorrichtung nach der Erfindung. Die auf die zwei Frequenzen fl und
f2 abgestimmten Kreise 18 und 19 sind hierbei in den Anodenkreis
zweier Pentoden 30 und 31 eingeschaltet. Diese Röhren sind durch ein
aus einem Kondensator 33 und einem Widerstand 34 bestehendes Netzwerk miteinander
gekoppelt. Von einer dritten Pentode 32 enthält der Anodenkreis die Primärwicklung
11 des Speisetransformators für die Brücke, dessen Sekundärwicklung 12 die
Brücke speist. Die Eingangskleminen C und D
sind an den Schiebekontakt
5 und den gemeinsamen Punkt der zwei anderen Brückenwiderstände angeschlossen,
Auch zwischen der Röhre 31 und der Röhre 32 besteht eine Kopplung,
die durch einen Kondensator 35 und einen Widerstand 36 gebildet wird.
-
Die Kopplungsglieder der Röhren bewirken bestimmte Phasendrehungen.
Durch eine geeignete Wahl der Schaltungselemente ist auch in diesem Falle erzielbar,
daß bei einer Gleichgewichtsstörung der Brücke im einen Sinne eine Frequenz fl und
bei einer Gleichgewichtsstörung im anderen Sinne eine Frequenz f2 erzeugt
wird.
-
Dies wird an Hand der Fig. 6 näher erläutert. Die Fig. 6a und
6b zeigen die Aniplitudencharakteristiken, die Fig. 7a und 7b die
Phasencharakteristiken der Kreise 18 und 19. Die Charakteristiken
des Ganzen entsprechen etwa den in Fig. 8 dargestellten Kennlinien. In dieser
Figur stellt a die Amplitudencharakteristik, b die Phasencharakteristik dar.
Die Phasendrehungen bei den Frequenzen fl und f2 sind +90
bzw.
-90'. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, sollen diese aber
0 und 180' sein.
-
Dies wird mit den Kopplungsgliedern33, 34 und 35, 36 erreicht,
deren Amplituden- und Phasencharakteristik Fig. 9 entsprechen. Fig.
10 zeigt die Charakteristiken des Ganzen; die Kurvea stellt die Amplitudencharakteristik,
die Kurve b die Phasencharakteristik dar.
-
Als Phaseneharakteristik des Ganzen der abgestimmten Kreise und RC-Glieder
erhält man schließlich das in Fig. 11 a dargestellte Bild. Die Frequenzen,
bei denen sich die Phase um 0 und 180' dreht, sind jetzt nicht mehr
genau die Abstimmfrequenzen der Kreise 18 und 19; da aber entsprechend
der Amplitudencharakteristik nach Fi-. 11 b hierbei eine hinreichende Verstärkung
entsteht, bestehen dagegen keine Bedenken. Die Kurve a gilt hier nur für die abgestimmten
Kreise, die Kurve b für die Kombination derselben mit den RC-Kopplungsgliedern.
-
Die Steuerspannungen können wieder den Anoden der Röhren entnommen
werden. Es kann hierbei erwünscht
sein, die dem Kreis
18 entnommene Spannung zu verstärken, da diese nicht wie die Spannung über
dem Kreis 19 in der Röhre 31 verstärkt wird.
-
In der Praxis hat eine Wahl der Frequenzen fl und f2 von
600 bzw. 750 Hz sich gut bewährt.
-
Die Vorrichtung nach der Erfindung wirkt zugleich als Oszillator,
als Verstärker und als phasenempfindlicher Gleichrichter. Wenn abgestimmte Kreise
verwendet werden, kann die Verstärkung sehr hoch und außerdem sehr selektiv sein,
so daß die Quelle oder Rauschen verhältnismäßig wenig Einfluß ausüben. Auch kleine
Phasendrehungen, die von langen Zufüh-
rungen zum Meßwiderstand herbeigeführt
werden, haben nur einen geringen Einfluß. Der rückgekoppelte Verstärker bedingt
nämlich die Schwingungsfrequenz immer derart, daß die Gesamtphasendrehung beim Durchlaufen
des geschlossenen Kreises gerade gleich Null ist; da eine geringe Frequenzänderung
beim Verstärker bereits eine große Phasendrehung ergibt, wird eine Bedrahtungskapazität
höchstens eine kleine Frequenzänderung herbeiführen. Man hat also im vorliegenden
Fall einen selektiven Verstärker, ohne daß an die Frequenzkonstanz der Abstimmungskreise
und an die Speisespannungen besondere Anforderungen gestellt zu werden brauchen,
da die Eigenfrequenz von jedem der Kreise die Frequenz der Speisespannung der Brücke
selbst bedingt.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung der normalen Brückenschaltungen
mit Widerständen, Kondensa.toren und Induktivitäten beschränkt, sondern ist in sämtlichen
Ausgleichschaltungen anwendbar, die mit Wechselstromgrößen von angemessener Frequenz
verwendet werden können.