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Photoelektrischer Regler Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen
Regler, bei dem ein Lichtbündel von einer Lichtquelle über eine Kondensorlinse und
einen Spalt auf den Spiegel eines Meßgerätes fokussiert und von hier auf einen Konkavspiegel
zurückgeworfen wird, dessen Krümmungsmittelpunkt nahe beim Spiegel des Meßgerätes
liegt, hier nochmals reflektiert wird und zu einem gebrochenen Spiegel gelangt,
der das Licht auf eine von zwei Photozellen wirft, deren Photoströme gegebenenfalls
verstärkt werden. Der photoelektrische Regler nach der Erfindung kann wahlweise
als Zweipunkt- und Dreipunktregler sowie als Schrittregler mit stetiger Funktionskurve
verwendet werden und läßt sich ferner in einer wenig abgeänderten Form als stetiger
Regler ausbilden.
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Zur selbsttätigen Regelung langsam ablaufender Vorgänge werden häufig
die relativ einfachen und betriebssicher arbeitenden Fallbügelregler verwendet,
bei denen die Zeigerstellung eines Meßgerätes diskontinuierlich abgetastet wird.
Diese Fallbügelregler werden in verschiedenen Ausführungen als Zweipunkt-, Dreipunkt-
und Vielstufen-Schnittregler ausgebildet. Die Ansprechempfindlichkeit dieser Regler
wird bei Geräten mit elektrischen Meßinstrumenten durch die Empfindlichkeit des
Zeigerinstruments begrenzt. Da der Zeiger bei jeder Abtastung fixiert wird und das
Instrument sich nach Freigabe des Zeigers erst wieder einstellen muß, wird die Schrittfolge
sowohl von der Abtastzeitdauer als auch von der Einstellzeit des Instruments bestimmt.
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Bekannt sind photoelektrische Regler, bei denen das vom beweglichen
Organ eines Spiegelgalvanometers zurückgeworfene Licht entweder unmittelbar auf
eine Photozelle fällt und diese mehr oder weniger stark beleuchtet oder bei denen
sich im rechten Winkel zum Strahlengang eine in dieser Ebene rotierende Beschattungsscheibe
bzw. verschieden strahlendurchlässige Scheibe befindet und den Strahlengang in Abhängigkeit
vom Ausschlag des Meßinstruments periodisch unterbricht bzw. schwächt. In Verbindung
mit Röhrenverstärkern oder Thyratronschaltungen lassen sich nach diesem Prinzip
Regler in verschiedenen Spezialausführungen herstellen; die meisten dieser Regler
verlangen jedoch eine gut stabilisierte Stromversorgung. Das gleiche gilt für rein
elektronische Regeleinrichtungen, die schaltungsmäßig noch bedeutend komplizierter
sind und deren Betriebssicherheit im allgemeinen wegen der Verwendung zahlreicher
elektronischer Schaltungsteile geringer ist als die der Fallbügelregler.
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Bekannt ist ferner ein photoelektrischer Nachlaufregler, bei dem ein
von der Lampe über eine Linse gehender Lichtstrahl zunächst auf den Spiegel eines
Meßsystems gelangt, von dort auf einen kreisförmig gekrümmten Reflektor fällt, von
diesem wieder auf einen entsprechend der Höhenverschiebung etwas geneigt montierten
Spiegel auf dem Folgesystem und von da auf den Schneidenreflektor gelangt. Sind
nun die beiden beweglichen Spiegel in gleicher Lage, so fällt der Lichtstrahl genau
auf die Schneide und wird in zwei gleiche Hälften gespalten, die auf die beiden
Photozellen fallen, welche das bewegliche Organ des Schreibgerätes mit dem Folgezeiger
steuern. Werden die beiden Photozellen gleich stark belichtet, so halten sie sich
das Gleichgewicht, und das bewegliche Organ des Schreibgerätes wird nicht verändert.
Stimmt aber die Lage des Folgezeigers mit der des Meßzeigers nicht überein, so fällt
der Lichtstrahl nicht auf die Kante, sondern auf eine der beiden Reffektorhälften
und belichtet die eine der beiden Zellen, während die andere dunkel bleibt. Dadurch
wird jetzt das Gleichgewicht der zugehörigen Schaltung in der Weise gesteuert, daß
sich das bewegliche Organ des Schreibsystems so dreht, daß die Differenz gegen das
Meßsystem ausgeglichen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen hochempfind-Echen, dabei jedoch
möglichst einfachen und betriebssicheren, universell verwendbaren Regler zu schaffen,
der an die Konstanz der Speisespannung keine besonderen Anforderungen stellt. Er
soll sich sowohl als Schrittregler mit stetiger Funktionskurve als auch als Zweipunkt-
und Dreipunktregler verwenden lassen. Seine, Ansprechempfindlichkeit und Schrittfolge
sollen durch Verwendung eines Spiegelgalvanometers in Verbindung mit einer photoelektrischen
Abtastvorrichtung und einer Beschattungsvorrichtung
gegenüber den
entsprechenden Größen eines Fallbügelreglers wesentlich gesteigert werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der gebrochene Spiegel
mit zwei ebenen Flächen versehen ist und zwei Photozellen kleiner Fläche verwendet
werden, die derart angeordnet sind, daß deren scheinbare Orte hinter dem gebrochenen
Spiegel in einem Punkt zusammenfallen, der dem Krümmungsmittelpunkt des Konkavspiegels
sehr nahe liegt.
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Erfindungsgemäß wird durch das optisch-photoelektrische Prinzip der
Abtastung eine um eine bis zwei Größenordnungen höhere Ansprechempfindlichkeit als
bei den Fallbügelreglem und durch den Einbau einer rotierenden Beschattungsvorrichtung
als Schrittgeber eine hohe Schrittfolge (Schrittdauer bis zu einer Sekunde) erzielt.
In Verbindung mit auswechselbaren polarisierten Relais und einer langsam umlaufenden,
abschaltbaren Beschattungseinrichtung wird die Regelanordnung wahlweise als Zweipunktregler,
als Dreipunktregler oder als Schrittregler mit einer als Funktion der Regelabweichung
stetig zunehmenden Stellgröße verwendet. Bei schnell rotierender Beschattungsscheibe
erübrigt sich das elektromechanische Relais. Der verstärkte Photostrom dient nach
Glättung unmittelbar als Stellgröße. In diesem Falle erhält man einen stetigen Regler.
Allerdings ist es hier erforderlich, die Speisespannung zu stabilisieren. In dieser
Form dürfte der Regler allerdings nicht den hohen Grad an Betriebssicherheit erreichen,
wie er beim Schrittregler zu erwarten ist.
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Die Erfindung sei an Hand des Ausführungsbeispiels der Zeichnung näher
erläutert, ohne natürlich darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigt Abb.
1 den Strahlengang im photoelektrischen Regler, Abb. 2 die Wirkungsweise
des Beschattungsbleches und Abb. 3 eine Brückenschaltung.
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Das Licht einer Glühbirne 1 (Abb. 1) wird über eine
Kondensorlinse 2, einen Spalt 3 und einen im Winkel von etwa 450 gegen die
mittlere Strahlenrichtung geneigten Spiegel 10 auf den Galvanometerspiegel
9
fokussiert. Von hier wird das Licht zurückgeworfen und erzeugt nach nochmaliger
Reflexion am Spiegel 10 auf dem Konkavspiegel 4 ein Bild des Spaltes
3.
Brennweite und Einstellung des Konkavspiegels 4 sind so zu wählen, daß
der scheinbare Ort 11 des Galvanometerspiegels 9 hinter dem Spiegel
10 nahezu mit dem Krümmungsmittelpunkt des Konkavspiegels 4 zusammenfällt.
Daher würde der Konkavspiegel 4 das Licht unabhängig von der Lage des Spaltbildes
und somit unabhängig von der Größe und dem Vorzeichen des Galvanometerausschlages
nach einer bestimmten Stelle hin werfen. Damit das Spaltbild den Rand des Konkavspiegels
4 nicht überschreitet, muß das bewegliche Organ des Galvanometers mit Anschlägen
versehen werden. Durch einen gebrochenen Spiegel 8, der genau in der Symmetrieebene
steht, wird der Weg des Lichtstrahles nochmals geknickt und fällt dann
je nach dem Galvanometerausschlag auf die eine von zwei Photozellen 12 und
13. Das Galvanometer ist so einzustellen, daß der Lichtstrahl in der Nullage
genau in der Symmetrieebene verläuft.
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Zwischen dem Konkavspiegel 4 und dem Spiegel 8
befinden sich
mit der Achse in der Symmetrieebene eine Einstellvorrichtung 5 zur Festlegung
der Ansprechgrenzen des Reglers sowie eine durch Synchronmotor 7 angetriebene,
rotierende, geschwärzte Beschattungsseheibe 6, die den Lichtstrahl bei jeder
halben Umdrehung einmal unterbricht. Die Dauer der Unterbrechung hängt von der Größe
des Galvanometerausschlages ab und ist bei kleinen Ausschlägen am größten.
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Bezeichnet man gemäß Abb. 2 den Ausschlag des Lichtzeigers (im absoluten
Winkehnaß) mit 7, den Krümmungsradius des Konkavspiegels 4 mit R, den Radius
der Beschattungsscheibe 6 mit r und den Ab-
stand der Rotationsachse
der Beschattungsscheibe vom Konkavspiegel 4 mit L, so ergibt sich der Winkel
7, der den Bereich des unterbrochenen Lichtstrahles bezeichnet, in Abhängigkeit
von 99 aus der Beziehung
Den Bereich des nicht unterbrochenen Strahlenganges 2ß=al+a2 erhält man demzufolge
aus
Da die Stellvorrichtung des Reglers nur während der Zeiten betätigt wird, in denen
Licht auf die Photozellen fällt, wird die Stellgröße in Abhängigkeit von dem die
Regelabweichung x charakterisierenden Lichtzeigerausschlag qg auf den Bruchteil
vermindert. Wie aus der Abb. 2 ersichtlich, ist stets R - L
> r und R > 2 r. Für kleine Galvanometerausschläge,
d. h. solange der Ausdruck
ist, kann die Stellgröße y als annähernd lineare Funktion der Regelabweichung
x betrachtet werden, wie leicht gezeigt werden kann, wenn man die Formel
(3)
als Funktion von T in einer Reihe entwickelt. Es ist möglich, die Stellgröße
als Funktion der Regelabweichung (p durch Änderung der Größen r, L und es
möglich, den beiden Schenkeln der Beschattungsin gewissen Grenzen zu variieren.
Außerdem ist scheibe ungleiche Längen zu geben. Durch Einfügen besonderer Getriebe
zwischen Antriebsmotor und der Achse der Beschattungsscheibe kann man ferner die
Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Stellung der Beschattungsscheibe
ungleichförmig gestalten.
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Läßt man die Photoströme auf die Steuergitter zweier Elektronenröhren
14 und 15 in einer abgeglichenen Differenz- oder Brückenschaltung (etwa nach
der in Abb. 3 als Beispiel dargestellten Brückenschaltung) oder auf eine
andere Verstärkeranordnung einwirken, so erhält man am Verstärkerausgang
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periodische Stromimpulse, deren Richtung vom Vorzeichen der Regelabweichung
und deren Länge vom Betrag der Regelabweichung abhängt. Bei schnell umlaufender
Beschattungsscheibe dürfte es leicht möglich sein, den pulsierenden Gleichstrom
zu glätten. Man erhält hierdurch einen Regler, der praktisch wie ein stetiger arbeitet.
Läßt die zeitliche Veränderlichkeit der zu regelnden Größe eine langsame Rotation
der Beschattungsscheibe zu (Umlaufzeit > 1 Sekunde), so kann man in den Diagonalzweig
der Röhrenbrücke ein polarisiertes Relais mit
zwei Schaltstellungen
links und rechts und einer mittleren Ruhelage einfügen.
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Wird der Motor der rotierenden Beschattungsscheibe abgeschaltet und
die Beschattungsscheibe in die Symmetrieebene gestellt, so läßt sich der zuletzt
beschriebene Regler als Dreipunktregler verwenden. Tauscht man das genannte polarisierte
Relais mit mittlerer Ruhelage des Ankers zwischen den Kontakten gegen ein äußerlich
gleiches mit einer oder zwei Ankerruhelagen aus, so läßt sich der beschriebene Tendenzregler
leicht in einen Ein-Aus-Regler verwandeln.
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Alle beschriebenen Reglertypen lassen sich sowohl mit P-Verhalten
als auch mit J-Verhalten ausführen. Im letztgenannten Falle schaltet das Relais
einen Gleich- oder Wechselstrom-SteRmotor mit Links-und Rechtslauf in einer der
beiden Drehrichtungen ein bzw. um.
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Wird dieser photoelektrische Regler nach dem Baukastenprinzip aufgebaut,
so besitzt er infolge der Austauschbarkeit der Baueinheiten universelle Verwendbarkeit.
Er läßt sich für die verschiedensten Regelaufgaben einsetzen, selbst dann, wenn
nur sehr geringe Steuerenergien zur Verfügung stehen.