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Selbsttätige elektrische Regelvorrichtung für Sammelheizungsanlagen
Die Erfindung betrifft eine selbsttätige elektrische Regelvorrichtung für Sammelheizungsanlagen
in Ab-
hängigkeit von der Außen- und der Vorlauftemperatur mittels
je eines elektrischen Widerstandsthermometers, deren jeweilige Meßgrößen
miteinander verglichen werden und nach Maßgabe dieses Vergleiches das Regelglied
der Heizungsanlage verstellen.
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Zur Beheizung von Gebäuden ist es erwünscht, z. B. Wasser-Sammelheizungsanlagen
so zu betreiben, daß die Vorlauftemperatur der Außentemperatur angepaßt wird. Zu
diesem Zweck sind Regelgeräte entwickelt worden, in denen die Vorlauf- mit der Außentemperatur
verglichen wird und welche Steuerbefehle zum Betätigen des Regelgliedes der Heizungsanlage
abgeben. Die Vorlauf- und die Außentemperatur werden dabei mit Hilfe je eines
Widerstandstherrnometers gemessen. Die elektrischen Meßgrößen dieser Thermometer
werden meistens in einer Meßbrücke verglichen, deren eine Brückendiagonale von einer
Gleichspannung gespeist ist. An die andere Brückendiagonale ist der Eingang eines
normalerweise mehrstufigen elektronischen Verstärkers angeschlossen, dessen Ausgangsstromkreis
die Wicklung eines Relais enthält. Die Kontakte dieses Relais werden dazu benutzt,
beispielsweise den Brenner des Heizkessels ein-oder auszuschalten.
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Da elektrische Thermometer in der Regel keine hohe Strombelastung
vertragen, sind im Diagonalzweig der Meßbrücke nur geringe elektrische Spannungen
erhältlich. Man benötigt daher mehrstufige Verstärker mit Elektronenröhren oder
Transistoren, um Relais zu betreiben, deren Schaltkontakte die zum Betätigen des
Regelgliedes der Heizungsanlage benötigte elektrische Leistung schalten können.
An die Ansprechempfindlichkeit und besonders an die zeitliche Stabilität der Verstärker
müssen hohe Anforderungen gestellt werden, die bisher nur mit beträchtlichem Aufwand
erfüllt werden konnten. Besonders kritisch sind die Betriebsbedingungen der Eingangsstufe
der Verstärker, welche an die elektrische Meßbrücke angeschlossen ist; meistens
müssen zusätzliche Mittel zur elektronischen Stabilisierung der Betriebsspannungen
des Verstärkers angewendet werden, wodurch sich ein kostspieliger Aufbau und eine
hohe Anzahl von elektrischen Einzelteilen im Regelgerät ergibt.
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Es ist ferner eine selbsttätige elektrische Regelvorrichtung für eine
Heizungsanlage u. dgl. bekannt, bei der die Außentemperatur durch ein Differentialrelais
mit der Vorlauftemperatur verglichen wird. In Reihe mit den beiden Arbesspulen des
Differentialrelais sind zwei verstellbare Widerstände eingeschaltet, die durch jeweils
einen Thermostaten verstellt werden. Das Differentialrelais betätigt einen umsteuerbaren
Stellmotor. Mit dieser Vorrichtung lassen sich ebenfalls keine großen Ansprechempfindlichkeiten
erreichen. Die mechanisch durch die temperaturempfindlichen Teile verstellbaren
Widerstände können bei Erschütterungen und ungünstigen Umgebungsbedingungen zu Störungen
Anlaß geben.
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Es ist ferner bekannt, in derartigen Regelvorrichtungen Kaltkathodenglimmröhren
in Verbindung mit Photohalbleitern zu verwenden.
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Durch die Erfindung soll eine selbsttätige elektrische Regelvorrichtung
für Sammelheizungsanlagen geschaffen werden, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist
und mit wenigen Schaltgliedem auskommt. Außerdem sollen die jeweiligen Regelvorgänge
ohne nennenswerte Verzögerung ausgelöst werden.
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Hierfür ist die Regelvorrichtung der eingangs angeführten Gattung
nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein strahlenempfind'-liches
Schaltglied für den Arbeitsstrom sowie eine, Strahlungsquelle zum. Bestrahlen und
Betätigen dieses Schaltgliedes aufweist und daß die Meßgrößen der elektrischen Thermometer
in eine in der Vorrichtung eingebaute elektrodynamische Vergleichmeßvorrichtung
derart eingehen, daß deren bewegliches Meßglied die auf das strahlenempfindliche
Schaltglied fallende
Strahlungsmenge steuert, so daß der durch das
Schaltglied ffießende Arbeitsstrom das Regelglied der Heizungsanlage beeinflussen
kann.
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Als strahlenempfindliche Schaltglieder werden vorzugsweise an sich
bekannte Photohalbleiter verwendet, die mittels einer als Strahlungsquelle, dienenden,
in der Regelvorrichtung angeordneten elektrischen Lampe in Abhängigkeit von der
jeweiligen Stellung des elektrodynamisch bewegbaren Meßgliedes der Vergleichmeßvorrichtung
beleuchtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Regelvorrichtung ist ferner
dem betreffenden Schaltglied eine mit einer Starterelektrode versehene Kaltkathodenglimmlichtröhre
(im folgenden kurz »Relaisröhre«) zugeordnet, wobei das strahlenempfindliche Schaltglied,
der Photoableiter, in dem die Starterelektrode enthaltenden Steuerstromkreis der
Relaisröhre hegt. Der Hauptentladungsstromkreis der Relaisröhre enthält elektromechanische
Nüttel zum Betätigen des Regelgliedes der Heizungsanlage und kann unmittelbar von
einer Wechselspannung gespeist sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt, dabei sind alle für das Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderlichen
Einzelheiten aus Gründen der übersichtlichkeit weggelassen.
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Die in der Zeichnung dargestellte, selbsttätige elektrische Regelvorrichtung
enthält zwei Relaisröhren 1, Y, die jeweils eine Starterelektrode
enthalten; es können z. B. Kaltkathodenglimmlichtröhren üblicher Bauart mit einer
Verlustleistung von einigen Watt verwendet werden. An die Kathoden dieser Relaisröhren
1, l' ist jeweils die Erregerwicklung eines elektromechanischen Relais 2,
2' angeschlossen, wobei der Ofimsche Widerstand dieser Erregerwicklungen bei einigen
tausend Ohm liegen kann und unmittelbar als Strombegrenzungswiderstand für die in
den Relaisröhren 1., l' fließenden Hauptenladungsströme dient. Die Hauptentladungsstromkreise
der Relaisröhren 1, Y werden mit Wechselspannung gespeist, welche der Sekundärwicklung
3 des Netzanschlußtransformators 4 der Regelvorrichtung entnommen wird. Dieselbe
Sekundärwicklung speist ferner die Steuerstromkreise der beiden Relaisröhren
1, 1. Jeder dieser Steuerstromkreise enthält einen lichtempfindlichen Photohalbleiter
5, 5', der über einen zugeordneten Serienwiderstand 6, 6' an
der Sekundärwicklung 3 hegt und als Schaltgli,ed arbeitet. Als Photohalbleiter
5, 5' können beispielsweise Kadmiumsulfidschichten oder andere ebenfalls
an sich bekannte lichtempfindliche Widerstände - gegebenenfalls auch Phototransistoren
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dienen, deren Leitungswiderstand bei Beleuchtung absinkt. Bei Anwendung
von Kadmiumsulfidschichten sind die Seiienwiderstände 6, 6' meistens hochohmig
zu wählen; sie haben Werte von etwa 1/2 Megähm. Die Starterelektroden der Relaisröhren
1, l! sind über je einen Strombegrenzungswiderstand 7, 7' von
ungefähr 1 Megolun mit den Photohalbleitern 5, 5'
verbunden.
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Die die Starterelektroden enthaltenden Steuerstromkreise
5 bis 7, 5' bis 7' sind ferner über je einen Kondensator
8, 8' mit den Hauptentladungsstrornkreisen der zugeordneten Relaisröhren
1, l' elektrisch gekoppelt, wobei die Erregerwicklungen der elektromechanischen
Relais 2, 2' je mittels einer aus dem Kondensator 9, 9' und dem Widerstand
10, 10' bestehenden Serienschaltung überbrückt sind. Größenordnungsmäßig
haben die Kondensatoren 8, 8' etwa je, 0,0005 Mikrofarad, die, Kondensatoren
9, 9' je etwa 1 Mikrofarad und die Widerstände 10, 10' je etwa
1000 Ohm. Vermittels dieser zusätzlichen Schaltglieder 8 bis
10 und 8' bis 10' kann erreicht werden, daß nach einmal erfolgter
Zündung der zugeordneten Relaisröhren 1, l' deren Wiederzündung in den nachfolgenden
Perioden der speisenden Wechselspannung bei sonst gleichen, durch die strahlenempfindlichen
Schaltglieder 5, 5' fließenden elektrischen Strömen begünstigt wird.
Wie sich zeigen läßt, wird diese Begünstigung der Wiederzündung bei gleichbleibender
Belichtung des betreffenden Photohalbleiters 5, 5' dadurch erreicht,
daß bei Einhaltung der angegebenen Bemessung der Schaltglieder 8 bis
10
und 8' bis 10' an der Starterelektrode der in Betracht kommenden
Relaisröhre, 1, l' eine zusätzliche positive Vorspannung entsteht.
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Die beiden Photohalbleiter 5, 5' werden durch eine im
Regelgerät angebrachte Strahlungsquelle in Form einer Lampe 11 von einigen
Watt Leistung beleuchtet, die von der Niederspannungswicklung 12 des Netzanschlußtransformators
4 gespeist ist. Im Strahlengang der Lampe 11 zu den beiden Photohalbleitern
5, 5' befinden sich eine mit Durchtrittöffnungen 13, 13' versehene
feste Blende 14 sowie eine bewegliche Abdeckfahne 15. Diese ist auf dem beweglichen
Meßglied 17 einer Vergleichmeßvorrichtung mit einer elektrodynamischen Meßvorrichtung
16 befestigt, deren Drehspule 18 einen Widerstand von etwa
100 Ohm haben kann. Diese elektrodynamische Meßvorrichtung 16 kann
beispielsweise ein Mikroamperemeter von an sich bekannter Bauart sein, dessen Meßglied
17 die dargestellte Mittellage einnimmt, wenn die Dreh-spule 18 stromlos
ist. Die beidseits dieser Mttellage möglichen Endlagen des Meßgliedes werden durch
Anschläge 19, 19' begrenzt. Die gesamte-Anordnung ist so getroffen, daß die
Abdeckfahne 15
in der Mttellage beide Durchtrittöffnungen 13, 13'
verdeckt,
so daß die Photohalbleiter 5, 5' von der Lampe 11 nicht beleuchtet
werden können. Bei nicht beleuchteten Photohalbleitern 5, 5' sollen ferner
beide Relaisröhren 1, l' nicht zünden. Bewegt sich hingegen das bewegliche
Meßglied 17 infolge eines durch dessen Drehspule 18 fließenden elektrischen
Stromes beispielsweise im Uhrzeigersinn bis zum Anschlag 19', so soll nur
die Öffnung 13' freigegeben, der Photohalbleiter 51 belichtet, die
Relaisröhre l' gezündet und das Relais 2# zum Ansprechen gebracht werden. Die öffnung
13 bleibt abgedeckt, der Photohalbleiter unbelichtet, die Relaisröhre
1 nicht gezündet und das Relais 2 unerregt. In entsprechender Weise soll
bei einer im Gegenuhrzeigersinn erfolgenden Verschwenkung der Abdeckfahne
15 bis zum Anschlag 19 nur die öffnung 13 freigegeben, der
Photohalbleiter 5 belichtet, die Relaisröhre 1 gezündet und das clektromechanische
Relais 2 zum Ansprechen gebracht werden. Die Verschwenkung des beweglichen Meßffiedes
17 im Gegenuhrzeigersinn setzt dabei eine Umkehrung der Stromrichtung des
durch die Drehspule, 18 fließenden elektrischen Stromes voraus. Um ferner
die Empfindlichkeit der beschriebenen Anordnung nach Bedarf verändern zu können,
ist parallel zur Drehspule 18 ein regelbarer Nebenschlußwiderstand 20 vorgesehen.
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Die Drehspule 18 der elektrodynamischen Meßvorrichtung
16 der Vergleichmeßvorrichtung ist in einen
Diagonalzweig
der bei Regelgeräten an -sich bekannten elektrischen Meßbrücke eingeschaltet. Diese
weist drei beispielsweise gleiche Längswiderstände 21, 22, 23 auf, die etwa
100 Ohm haben können. Der vierte Längswiderstand wird durch die Reihenschaltung
von zwei Widerstandskombinationen bestimmt, welche, an die Klemmen 24,
25 angeschlossen werden. Die an die Klemmen 24 gelegte Widerstandskombination
enthält den temperaturempfindlichen Widerstand des elektrischen Thermometers zum
Messen der Außentemperatur, während die an die Klemmen 25
gelegte Widerstandskombination
den temperaturempfindlichen Widerstand des elektrischen Thermometers zum Messen
der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage aufweist. Die an die Klemmen 24,
25 anzuschließenden Widerstandskombinationen sind aus Gründen der übersichtlichkeit
nicht näher dargestellt; sie enthalten außer den temperaturempfindlichen Widerständen
der beiden elektrischen Thermometer Regelwiderstände, um in an sich bekannter Weise
die je-
weils benötigte Kennlinie einzustellen, nach der die Vorlauftemperatur
in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelt werden soll. Der andere Diagonalzweig
der elektrischen Meßbrücke 21 bis 25 wird durch Gleichstrom mit nur wenigen
Volt Spannung gespeist. Diese Gleichspannung kann mit Hilfe der Niederspannungswicklung
12 des Netzanschlußtransformators 4, des Trockengleichrichters 26 und des
Filterkondensators 27 von einigen hundert Mikrofarad erzeugt werden.
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Im übrigen ist das beschriebene Regelgerät z. B. dazu bestimmt, das
Rücklaufwasser-Beimischventil einer Warmwasserheizungsanlage zu steuern. Dieses
Mischventil oder auch ein anderes kontinuierlich verstellbares Regelglied der Heizungsanlage
wird vorzugsweise mittels eines an sich bekannten, in seiner Drehrichtung umkehrbaren
Verstellmotors betätigt. Um eine hinreichend langsame Verstellung des Regelgliedes
der Heizungsanlage zu erhalten, wird es vom Verstellmotor aus über ein Untersetzungsgetriebe
bewegt. Der Verstellmotor wird an das Wechselstromnetz über die Kontakte 28,
28' der Relais 2, 2' so angeschlossen, daß beim Ansprechen des einen oder
des anderen der beiden Relais der Motor in der ge-
wünschten einen oder anderen
Drehrichtung läuft, während er stillgesetzt wird, wenn die Erregerwicklungen beider
Relais stromlos sind.
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Abweichungen des beschriebenen Regelgerätes sind möglich, ohne daß
der grundsätzliche Aufbau verlassen wird. So kann man beispielsweise die elektrische
Meßbrücke 21 bis 25 teilweise in die elektrodynamische Meßvorrichtung
16 einbeziehen, indem man dieser zwei Drehspulen gibt, welche das Meßglied
bewegen. Die eine Meßspule 18 wird mit der sonst an den Klemmen 24 angeschlossenen
Widerstandskombination in Reihe geschaltet, während die andere Drehspule in analoger
Weise mit der sonst an den Klemmen 25 angeschlossenen Widerstandskombination
in Reihe liegt. Die beiden Reihenschaltungen werden schließlich in gegensinniger
Weise an den Filterkondensator 27 angeschlossen. Die Brückenwiderstände 21
bis 23 fallen unter diesen Umständen fort, und der Nebenschlußwiderstand
20 wäre doppelt auszuführen, sofern er überhaupt noch benötigt wird.
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Ferner kann man die Abdeckfahne 15 auch so ausbilden, daß in
der dargestellten Mittellage des beweglichen Meßgliedes 17 beide Photohalbleiter
5, 5' von der Lampe 11 bestrahlt werden, während in den beiden
Endlagen des Meßgliedes nur einer der beiden Photohalbleiter von der Lampe bestrahlt
wird.
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An der Stelle von Photohalbleitern in der Form von lichtempfindlichen
Kadmiumsulfidschichten können auch andere lichtempfindliche Widerstände oder normale
Photozellen verwendet werden. Die lichtempfindlichen Schaltglieder 5, 5'
können ferner an zwei normale, einstufige, aus Hochvakuumverstärkerröhren oder Transistoren
gebildete Verstärker angeschlossen werden, deren Ausgangsstromkreise die Erregerwicklungen
der Relais 2, 2' speisen. Ferner wäre es möglich, die Schaltglieder 5, 5'
als Phototransistoren auszubilden, die die Erregerwicklungen der Relais 2, 2' unmittelbar
beeinflussen. Diese und ähnliche Varianten haben aber gegenüber der an Hand der
Zeichnung beschriebenen Ausführungsforrn den Nachteil geringerer Betriebssicherheit.
Die Verwendung normaler Photohalbleiter in Verbindung mit zugeordneten Relaisröhren
hat sich als besser erwiesen.
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Schließlich kann man die Lampe 11 durch eine an sich bekannte
radioaktive Strahlungsquelle ersetzen, welche vorwiegend a-Strahlen aussendet. An
die Stelle der lichtempfindlichen Schaltglieder 5, 5' treten dann
Ionisationskammern, die wie die Photohalbleiter an die Relaisröhren 1, l'
angeschlossen werden. Vorzugsweise ist die radioaktive Strahlungsquelle unmittelbar
auf dem beweglichen Meßglied 17 anzubringen.
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Eine weitere Vereinfachung ergibt sich im Regelgerät, wenn es in Heizungsanlagen
verwendet wird, die nur durch das Ein- und Ausschalten eines oder mehrerer Heizkessel
zum Verfeuern von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen geregelt werden.
Unter diesen Umständen können im Regelgerät das Relais 2', die Relaisröhre
l', das strahlenempfindliche Schaltglied 5', die, Widerstände
6', 7' und 10' und die Kondensatoren 8' und 9' weggelassen
werden. Meistens erübrigt sich auch die Lochblende 14; die Abdeckfahne
15 des beweglichen Meßgliedes 17 wird so ausgeführt, daß in der einen
Endlage 19 des Meßgliedes der verbleibende Photohalbleiter 5 von der
Lampe 11 voll bestrahlt wird, während in der anderen Endlage 19' des
Meßgliedes der Photohalbleiter 5
gegen jegliche Bestrahlung abgeschirmt ist.
Die Kontakte 28 des Relais 2 können bei dieser Ausführung der Regelvorrichtung
unmittelbar zum Ein- und Ausschalten des Brenners im Heizkessel herangezogen werden.