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Einrichtung zur Steuerung, Überwachung und Regelung mechanischer Stellglieder
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung, Überwachung und Regelung
mechanischer Stellglieder unter Verwendung einer Induktionsspule, deren Scheinwiderstand
durch einen vom Stellglied gesteuerten Anker beeinflußt wird, sowie elektrischer
Schaltmittel, z. B. polarisierter Relais oder elektronischer Schaltglieder.
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Bei den bekannten Einrichtungen zur Steuerung, Überwachung und Regelung
mechanischer Stellglieder, deren Steuerwege in elektrische Meßwerte umgewandelt
werden, kommen vorzugsweise nachstehend genannte Gebersysteme zur Anwendung: a)
Widerstandsgeber, bei denen sich der spezifische Widerstand infolge der Längenänderung
ändert; b) Spannungsgeber, die vorwiegend als Potentiometer einer Gesamtspannung
eine bestimmte Teilspannung entnehmen, die je nach Bedarf in linearer, quadratischer,
logarithmischer oder sonstiger funktioneller Abhängigkeit zum Steuerweg steht; c)
kapazitive Geber, die vorwiegend zur Messung kleinster Bewegungen dienen und insbesondere
in Resonanzkreisen die Größe dieser Bewegungen als Verstimmungsmaß angeben. Da diese
Geber mit elektronischer Auswertung auf der Meß- oder Empfängerseite nahezu trägheitslos
arbeiten, liegt ihr Haupteinsatzgebiet in der Messung kurzzeitiger bzw. schnell
verlaufender Bewegungsvorgänge kleiner Elongation, insbesondere zur Ermittlung von
Schwingungsvorgängen an Maschinen aller Art; d) induktive Geber, die bei der Verschiebung
eines Eisenkernes in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten
die Induktivität einer Spule ändern, wobei diese Induktivitätsänderung auf verschiedene
Weise gemessen werden kann.
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Die bekanntesten Systeme der induktiven Geber verwenden irgendeine
Art Tastorgan, das den steuernden Anker bewegt, um beispielsweise den Wasserstand
in einem Behälter oder Winkelstellungen von Drosselklappen, Ventilen, Brückenteilen
u. dgl. anzuzeigen oder Zeigerstellungen fernzuübertragen.
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Als elektrische Induktionsmeßlehre dient ein solches System zur Längenmessung,
insbesondere zur Anzeige von Abweichungen der geometrischen Sollmaße eines Prüflings
von einem Vergleichsstück.
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Die Nachteile der erwähnten Einrichtungen für Steuer- und Regelaufgaben
liegen darin, daß die Induktionsspule nur dann einen brauchbaren Meßwert abgibt,
wenn sich der Anker in Ruhe befindet. Während der Ankerbewegung selbst wird nach
dem Induktionsgesetz in der Spule eine von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängige,
so große Spannung induziert, daß das Meßergebnis mehr oder weniger verfälscht wird.
Alle genannten Verfahren dienen daher nur zur statischen Messung der zur Ruhe gekommenen
Ankerstellung.
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Ferner besitzen die genannten Einrichtungen als Empfänger ein Anzeigeinstrument
oder eine Alarmeinrichtung, um die Abweichung optisch oder akustisch anzuzeigen.
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Die genannten Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Einrichtung
vermieden.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Primärwicklung
eines Transformators in Reihe geschaltete Induktionsspule in Abhängigkeit von der
Stellung des steuernden Ankers der Induktionsspule in der Sekundärwicklung des Transformators
in einem Meßzweig eine Meßspannung induziert, die zusammen mit der Wirkung eines
regelbaren Kompensationskreises elektrische Schaltmittel betätigt, um Steuer-und/oder
Regelvorgänge einzuleiten.
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In gleicher Weise dient die Einrichtung dazu, daß in bestimmten Stellungen
des steuernden Ankers die elektrischen Schaltmittel einen Steuerimpuls abgeben,
um den eingeleiteten Steuervorgang zu unterbrechen.
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Die obere Grenze der zulässigen Bewegungsgeschwindigkeit kann durch
Verwendung höherer Frequenzen der Speisewechselspannung oder durch Vergrößerung
der Zusatzinduktivität im Transformator verschoben werden.
Als elektrische
Schaltmittel können bekannte Einrichtungen oder Bauelemente benutzt werden, die
auf der Basis des Größen- oder Koinzidenzvergleichs elektrischer Werte beruhen,
z. B. polarisierte Relais mit zwei oder mehr gegenphasig gespeisten Wicklungen,
wie sie beispielsweise bei Einrichtungen zur Spannungsüberwachung mittels Relais
verwendet werden, oder elektrische Bauglieder (Röhren, Thyratrone, Transistoren
u. dgl.) in Schaltungen mit vergleichenden Eigenschaften und-Aufgaben.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist darin zu
sehen, daß bei Verwendung mehrerer elektrischer Schaltmittel für einen Meßkreis
der Ansprechbereich jedes einzelnen Schaltmittels durch Änderung der elektrischen
Vergleichsgröße mit Hilfe veränderlicher Widerstände, z. B. durch Potentiometerwiderstände
oder Widerstandsketten, verschieden einstellbar ist. Durch Auswahl oder Kombination
der »angesprochenen« Schaltmittel mit entsprechender Befehlszuordnung können dadurch,
entsprechend dem Grad der Verstimmung zwischen Meßkreis und Vergleichskreis (Istwert
zu Sollwert), langsam oder schnell verlaufende Steuer- oder Regelvorgänge eingeleitet
werden.
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Durch Verwendung geeigneter Teilspannungen der gleichen Spannungsquelle
für den Meß- und Kompensationskreis sind die Ansprechwerte der elektrischen Schaltmittel
und damit die Steuer-, Überwachungs-und Regelgrößen der mechanischen Stellglieder
in sehr weiten Grenzen von der Höhe der Betriebsspannung, insbesondere von Netzspannungsschwankungen
unabhängig.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Einrichtung nach
der Erfindung in graphischer und schematischer Darstellung wiedergegeben. Es zeigen
Fig. 1 a und 1 b den Verlauf des Stromes als Funktion des Ankerweges (Luftspalt)
für zwei verschiedene Hubmagnete, von denen der eine einen Hub von 90 und der andere
von 20 mm aufweist, Fig. 2, die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels der
stufenweisen Messung von Gewichten, Fig. 3 die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels
einer kontinuierlichen Wegesteuerung.
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Je nach Bauform der Magnete und der angelegten Spannung entspricht
jede Ankerstellung einem ganz bestimmten Strom, der in Millimeter-Steuerweg geeicht
werden kann. Man kann also je nach Bedarf, wie aus der Fig. 1 a ersichtlich, beispielsweise
eine geradlinige Charakteristik (9.0 bis 60 mm Steuerweg) oder eine Mischcharakteristik
mit geradlinigem Hauptzweig und steilem Anfangsbereich und flachem Endbereich oder
gemäß Fig. 1b auch eine gekrümmte Charakteristik verwenden. Der Ankerweg des Magneten
kann ferner durch beliebige Hebelübersetzungen dem Steuerweg angepaßt werden.
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Da in Meß- und Steueranlagen nach dem Zurücklegen eines bestimmten
Weges vorzugsweise ein Schaltimpuls ausgelöst werden soll, wird die vom Geber gesteuerte
Empfangseinrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Genauigkeit der Impulsgabe
von der Betriebsspannung weitgehend unabhängig wird, so daß trotz starker Netzspannungsschwankungen
keine unzeitige Impulsgabe oder Fehlmessung ausgelöst werden kann. Empfangseinrichtungen
dieser Art sind beispielsweise polarisierte Relais mit zwei oder mehr Wicklungen,
bei zweckmäßig gewählten Speisespannungen. Die erste Wicklung hält das Relais durch
die Kompensationsspannung in der Grundstellung. Die zweite Wicklung mit entgegengesetzt
gerichtetem Magnetfeld wird durch die aus dem wegeabhängigen Magnetstrom gewonnene
Spannung gespeist, die das Relais beim überschreiten der durch die Kompensationsspannung
festgelegten Schwelle umkippen läßt. Bei der Speisung beider Wicklungen aus dem
gleichen Netz und geeigneter Anpassung läßt sich der Kippunkt weit über normale
Netzspannungsschwankungen hinaus stabil halten.
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Eine solche Schaltung kann in vorteilhafter Weise zur Messung der
Gewichte von Fahrzeugen, insbesondere von Schienenfahrzeugen, verwendet werden,
wobei die Relaisvorgänge der Meßschaltung in einer besonderen Relaisschaltung gespeichert
und jeder Speicherwert zeitgerecht für die selbsttätige Einregelung der Druckstufen
einer Gleisbremse ausgewertet werden können.
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Die wesentlichen Merkmale der Erfindung können auch für die Schaltung
einer kontinuierlichen Wegesteuerung angewendet werden, wobei jede Verstimmung des
elektrischen Gleichgewichtes zwischen Meßkreis und Kompensationskreis - sei es am
Steuerpotentiometer oder am induktiven Geber - so lange eine selbsttätige Regelung
der Stellvorgänge bewirkt, bis das elektrische Gleichgewicht wieder hergestellt
ist. Diese Schaltung kann beispielsweise für die selbsttätige Einregelung der Druckstufen
einer Gleisbremse in Ablaufanlagen oder für ähnliche Einrichtungen verwendet werden.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels
für die stufenweise Messung von Gewichten wird von der Sekundärseite des Netztransformators
1 eine Teilspannung dem Kompensationstransformator 2 zugeführt und im Gleichrichter
4 gleichgerichtet, von der die Kompensationswicklungen der polarisierten Relais
P1, P2 ... P" je eine mit dem Potentiometer 6 einstellbare Teilspannung erhalten.
Je nach der Größe des zu messenden Gewichtes G wird die Feder F weniger oder mehr
zusammengedrückt und damit der Luftspalt 9 des Wechselstrommagneten 7, 8 verändert.
Die Induktivitätsänderung bewirkt im Meßtransformator 3 eine Spannungsänderung,
die nach der Gleichrichtung 5 den Meßwicklungen der Relais zugeführt wird, so daß
beispielsweise bei der größten Induktivitätsänderung nacheinander durch das Überwiegen
der Meßspannung gegenüber den Kompensationsspannungen alle Relais zum Anzug kommen.
Das jeweils in der Relaiskette P1 ... P" zuletzt anziehende Relais entspricht
dem Gewicht G bzw. einer ganz bestimmten Gewichtsstufe.
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Die Prinzipschaltung nach Fig. 3 zeigt eine kontinuierliche Wegesteuerung
in der in ähnlicher Weise wie in Fig. 2 aus dem Netztransformator 1.1 über den Kompensationstransformator
2.1 und den Gleichrichter 4.1 eine Gleichspannung gewonnen wird und von der je nach
der Stellung des Steuerpotentiometers 6.1 eine beliebige Teilspannung abgegriffen
und den Kompensationswicklungen der beiden polarisierten Relais P1,1 und P2.1 zugeführt
wird. Die im Minusstrang liegenden Potentiometer 11, 12 sind hierbei für die beiden
Relais auf zwei verschiedene Kippunkte eingestellt. Die mit der Steuereinrichtung
gekuppelte Steuerstange 10 verändert nun je nach dem Steuerweg s des Magnetkerns
8.1 die Induktivität und damit die am Meßtransformator 3.1 abgreifbare Meßspannung,
die im Gleichrichter 5.1 gleichgerichtet und den
Meßwicklungen der
Relais P1.1 und P2.1 zugeführt wird. Im eingeregelten Zustand überwiegt im Relais
P1#1 die Wirkung der Meßspannung (Relais »angezogen«), im Relais P2.1 die Wirkung
der Kompensationsspannung (Relais »abgefallen«).
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Wird am Steuerpotentiometer 6.1 die Kompensationsspannung für beide
Relais erhöht, dann fällt auch Relais P1.1 ab, das den Antriebs- und Regelmechanismus
für die eine Richtung anschaltet. Wenn dagegen durch Drehung des Steuerpotentiometers
in entgegengesetzter Richtung die Kompensationsspannung verringert wird, zieht außer
Relais P1.1 auch Relais P2.1 an, so daß die Antriebsmittel, im umgekehrten Sinne
angeschaltet werden. Die Regelung in der einen oder in der anderen Richtung dauert
jeweils so lange, bis Relais P1_1 angezogen und Relais P2.1 abgefallen ist. Geht
die Regelung über die befohlene Stellung hinaus, so gibt das überfahrene Relais
sofort Befehl auf Gegenkurs. Jeder Stellung des Potentiometers 6.1 entspricht also
ein bestimmter Wegs der Steuerstange 10. Der Abstand der Kippunkte der beiden Relais
P1.1, Pz.l ist der geforderten Feinstufigkeit der Steuerung entsprechend einzustellen.
Mit Rücksicht auf Schaltzeiten, Schlupf und Trägheit ist die untere Grenze des Kippunkt-Abstandes
durch die Stabilitätsbedingung der Regelung festgelegt. Die Empfindlichkeit darf
nur so groß sein, daß die stabile Stellung zwischen den beiden Kippunkten zumindest
aus einer Richtung über den gesamten Steuerbereich mit Sicherheit erreicht wird.