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Elektrische Regeleinrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische
Regeleinrichtung zur Regelung von physikalischen Größen, bei der die dem Sollwert
proportionale Größe in einem Oszillator erzeugt wird, der als Frequenznormal eine
mit einstellbarer konstanter Frequenz schwingende Saite enthält, und die dem Istwert
proportionale Größe in einem Meßwertumformer erzeugt wird, der eine schwingende
Saite mit einer dem Istwert der physikalischen Größe proportionalen Eigenfrequenz
enthält.
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Es ist bei Meßanordnungen bekannt, zu messende mechanische Größen
in einem Meßwertumformer in eine der Größe proportionale Frequenz umzuformen. In
einem Vergleichsgeber wird eine Bezugsfrequenz erzeugt und die Differenz zwischen
den Frequenzen als Meßwert zur Anzeige gebracht. Als Meßwertumformer sind bei diesen
Anordnungen Dehnungsmesser, z. B. in Form von piezoelektrischen Schwingkristallen,
bekanntgeworden. Weiterhin ist es an sich bekannt, eine Bezugsfrequenz durch einen
mit einer schwingenden Saite versehenen Oszillator zu erzeugen. Die bekannten Anordnungen
haben den Nachteil, daß sie zweier vollständiger Oszillatorkreise bedürfen, um Vergleichs-
und Meßfrequenz zu erzeugen.
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Der elektrischen Regeleinrichtung gemäß der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, den Anwendungsbereich der bekannten Anordnungen auch auf Regelungen zu
erweitern, darüber hinaus den angegebenen Nachteil zu beseitigen. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Saite des Istwertgebers vom Oszillator
des Sollwertgebers erregt ist und ihre Eigenfrequenz durch die Regel= größe so lange
beeinflußt wird, bis sie bei Regelabgleich mit der Eigenfrequenz der schwingenden
Saite des Sollwertgebers übereinstimmt.
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Eine derartige Regeleinrichtung weist außer der Vereinfachung, daß
nur noch ein Oszillatorkreis vollständig vorhanden ist, eine außerordentliche Empfindlichkeit
sowie eine große Stabilität auf. Dadurch, daß das Frequenznormal des Oszillators
und der Istwertgeber gleich aufgebaut sind, wirken Störeinflüsse, insbesondere durch
Temperaturunterschiede, auf beide im gleichen Maße ein und sind leicht zu kompensieren.
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Der Sollwertgeber besteht aus einer Brückenschaltung und einem Verstärker,
die in Rückkopplungsschaltung miteinander verbunden sind; wobei ein Brückenzweig
durch das Frequenznormal, d. h. durch die schwingende Saite, gebildet wird. Die
der Regelabweichung proportionale Größe wird in einer Brückenschaltung erzeugt,
in der die schwingende Saite des Istwcrtgebers einen Brückenzweig bildet.
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Gemäß einem weiteren Merlmul der Erfindung dient als Stellglied eire
Zweiphasenmotor, dessen erste Wicklung von: dem Verstärker und dessen zweite Wicklung
über einen Verstärker mit dem der Regelabweichung proportionalen Ausgangssignal
der Brücke gespeist ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind der folgenden Beschreibung eines
AusfUrung$heispiels in Verbindung mit den jeweiligen Zeichnungen zu entnehmen. Es
zeigt F i g.1 das Prinzipschaltbld einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung, F
i g. 2 einen Längsschnitt durch einen in der Regeleinrichtung nach F i g:1 verwendbaren
Istwert geber, F i g. 3 einen Schnitt entlang -der Linie 3-3 in F i g. 2 und F i
g. 4 einen Längwchttitt durch das in der Regeleinrichtung nach F i g:1 verwendbare,
von Hard einstellbare Frequenznormal das Oszillators: Gleiche Bezugszeichen bezeichnen
in den verschiedenen Ansichten einander .entsprechende Teile. Der als Sollwertgeber
dienende Oszillator 10 enthält eine Brückeztschalturtg 12 und ein= .f# elektrischen
Verstärker 14: Die Brückenschaltang 1.2 besteht aus den Widerständen 1:6;
18 und 20, von denen jeder je einen von drei Zweigen der Brückenschaltung 12 bildet.
Der vierte Zweig dieser Brücke enthält ein Frequenznormal 22: Am Ausgang- dieser
Brücke erscheint
bei nicht abgeglichenen Zweigen ein Signal in-
einem Transformator 24, dessen Primärwicklung 26 mit den Ausgangsklemmen 28 und
30 der Brücke 12 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 33 des Transformators 24 ist
mittels Leitungen 34 und 36 mit dem Eingang des Verstärkers 14 verbunden.
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Der elektrische Verstärker 14 besitzt einen Rückkopplungskreis 38,
der durch einen Widerstand 42 mit dem Eingang 40 der Brücke 12 verbunden ist. Sowohl
der Verstärker 14 als auch der andere Eingang der Brücke 12 sind, wie bei 44 bzw.
46 gezeigt; geerdet.
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Die Ausgangsseite des Verstärkers 14 ist mit Leitungen 48 und 50 an
die Steuerwicklung 52 eines zweiphasigen Induktionsmotors 54 angeschlossen.
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Eine Brückenschaltung 56 mit einem Eingang 58, der über einen Widerstand
60 mit dem Rückkopplungskreis 38 verbunden ist, ist mit Widerständen 62, 64, 66
versehen, die, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, in e einem Zweig der Brücke 56 angeordnet
sind. Den vierten Zweig dieser Brücke 56 bildet ein Istwertgeber 68. Das Ausgangssignal
der Brücke 56 erzeugt ein Signal in einem Transformator 70, dessen Primärwicklung
72 mit den Ausgangsklemmen 74 und 76 der Brücke 56 verbunden ist. Die Sekundärwicklung
78 des Transformators 70 ist mittels Leitungen 80 und 82 mit dem Eingang eines elektronischen
Verstärkers 84 verbunden, der als Fehlerverstärker bezeichnet wird. Das Ausgangssignal
dieses Fehlerverstärkers 84 wird durch Leitungen 88 und 90 einer zweiten Wicklung
86 des Induktionsmotors 54 zugeleitet. Der Fehlerverstärker 84 ist bei 92 geerdet,
die Brücke 56 bei 94 über den anderen Eingang.
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Das Ausgangssignal des Istwertgebers 68 ist abhängig von der Regelgröße,
die durch den Stellmotor 54 beeinfiußt wird. Wie in F i g. 1 schematisch dargestellt
ist, kann z. B. der Motor 54 zur Steuerung eines Flüssigkeitsdruckes innerhalb eines
Flüssigkeit führenden Rohres 96 verwendet werden, z. B. durch eine Verbindung zwischen
dem Motor 54 und einem Ventil 98 zur Steuerung des Durchflusses.
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Frequenznormal 22 und Istwertgeber 68 haben beide die Form der in
F i g. 2 und 3 abgebildeten Vorrichtung 100. Diese ist innerhalb eines .Gehäuses
angeordnet, welches einen rohrförmigen Teil 102, ein Druckanschlußstück 104 zur
Verbindung mit einem Rohrabschnitt 106 und eine Stellmutter 108 aufweist. Bei Verwendung
der Vorrichtung 100 als Istwertgeber 68 in der Anordnung der F i g. 1 wird
Druck aus der Leitung 96 durch die Leitung 106 und das Anschlußstück 104 auf die
Membran 110 übertragen, wobei sich zwischen dem Anschlußstück 104 und dem Teil 114,
aus dem die Membran 110 ausgebildet ist, ein Dichtring 112 befindet. Das Frequenznormal
22 wird in F i g. 1 schematisch als nicht auf äußere Veränderungen ansprechend gezeigt,
obwohl die Erfindung auch die Möglichkeit einbezieht, daß das Frequenznormal 22
Veränderungen des Sollwertes gestattet, z. B. wenn es die Form der in F i g. 2 und
3 gezeigten Vorrichtung 100 annimmt.
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Das Befestigungsstück 116, in das eine Mutter 118 eingeschraubt ist,
ist mit der Membran 110 aus einem Stück gearbeitet und in der Mitte der Membran
angeordnet. Ein Ende der elektrisch leitenden Saite 120 ist an der Mutter 118 bei
122 befestigt.
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An dem Teil 114 ist der Körper 124 befestigt, welcher mit Gewinde
zur Aufnahme einer Stellmutter 126 versehen ist, wobei ein Wandteil 128 vorhanden
ist, welcher zwischen dem Körper 12q und einem ringförmigen Flansch auf einer Muttee
126 angeordnet ist. Zwischen dem Wandteil 128 ttne jedem Körper 124 und der Stellmutter
126 ist elek. trisch leitendes Material 127 angeordnet. In eine in der Wand
128 gebildeten mittleren Öffnung' isl eine Anschlußkiemme oder ein Befestigungskörpe
130 angeordnet, an dem das andere Ende der Saite 120 befestigt ist: Dieser
Teil 130 ist mit einer- die Spannung einstellenden Kontermutter 132 und eine;
Stellmutter 134 versehen; die letztgenannte hält den Teil 130 in einer gegebenen
Lage fest und eine Verbindungsöse 136 in ihrem Platz.
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Ein im allgemeinen U-förmiger Dauermagnet 3.,38 ist so angeordnet,
daß seine magnetischen Pole oder deren Verlängerungen sich auf gegenüberliegenden
Seiten des Drahtes 120 befinden, um einen magttetischen Fluß quer zum Draht zu ermöglichen:
Wi6: es in der F i g. 3 gezeigt ist, ist der Dauermagnet -M starr an dem Körper
124 z. B. mittels einer Schraube 140 befestigt.
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Die Vorrichtung gemäß F i g. 4 ist derjenigen von F i g. 2 und 3 ähnlich,
wie aus der Verwendung gleicher Bezugszeichen für entsprechende Teile 3avorgeht.
Die Vorrichtung gemäß F i g. 4 ist jedäch nicht mit auf den Meßwert ansprechenden
TeNfi versehen, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, und ist daher darauf beschränkt,
als Frequenznornnal22 in de Anordnung nach F i g. l verwendet zu werden. Zuni Unterschied
gegenüber der Konstruktion der Vorrichtung 100 in F i g. 2 und 3 ist der
Körper 124 des Frequenznormals 22 der F i g. 4 starr an einer Crasdplatte 150 befestigt,
welche mit in der Mitte angeordneten, mit Gewinde versehenen Öffnungen zur Aufnahme
einer Schraube 152 versehen 'ist. An der Schraube 152 ist bei 154 ein Ende der Saite
12t1 befestigt. Das Frequenznormal 22 nach F i g. 4 isf daher nicht von äußeren
Einwirkungen abhängig, Wie; es beim Istwertgeber der F i g: 2 und 3 "der Fallist.
Bei der Verwendung des Frequenznormals in der Schaltung nach F i g. 1 wird die Verbindungsöse
1
mit dem Ausgang 28 der Brücke 12 verbunden und die Grundplatte 150 geerdet,
während die Verimdungsöse 136 des Istwertgebers mit dem Ausgang 74 der Brücke 56
verbunden ist und der Teil 114 -in jeder beliebigen Weise geerdet werden
kann.
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Die Widerstände 16, 18 und 20 der Brücke 1,2 müssen so gewählt werden,
daß sich die Brücke außerhalb der Eigenfrequenz der Saite 12A des Fe' quenznormals
22 im Gleichgewicht befindet. Die Eigenfrequenz der Saite ist durch ihre mechae
Vorspannung bestimmt: Diese Vorspannung kann leicht durch eine entsprechende Einstell
' der Muttern 132 und 134 auf dem Befesti ürper 130 des Frequenznormals 22 verändert
werden. So wird, solange die Saite 120 in dem' durch den Dauer'-' magneten 138 erzeugten
magnetischen Feld vibriin dem Draht ein Strom mit einer Frequenz, die der Eigenfrequenz
des Drahtes entspricht, indpziert. Wenn die Frequenz des auf die Anschlußklemme
40 der Brücke 12 wirksamen Eingangssignals die, gleiche ist wie die Frequenz
des Stromes in der Saite des Frequenznormals 22, dann wird die Brücke Ü aus dem
Gleichgewicht gebracht; und es entstellt zwischen den Ausgangsklemmen 28 und 30
eine Spannung. Diese Spannung erzeugt in dem Transformator 24 ein Signal, welches
durch die Leitung , 36 an den Verstärker 14 weitergegeben wird. Ein
solches
Signal wird durch den Verstärker 14 verstärkt und über den Rückkopplungskreis 38
sowie den Widerstand 42 zum Eingang 40 der Brücke 12 positiv rückgekoppelt. Die
zum Eingang der Brücke 12 rückgekoppelte Spannung bewirkt, daß ein Strom durch die
Saite 120 des Frequenznormals 22 fließt. Die durch diesen Strom erzeugten magnetischen
Kraftlinien, die quer zur Längsrichtung der Saite 120 verlaufen, wirken auf das
durch den Dauermagneten 138 erzeugte magnetische Feld ein und halten auf diese Weise
die Schwingungen der Saite mit einer Frequenz, die der Vorspannung der Saite entspricht,
aufrecht. Da die Brücke 12 so angeordnet ist, daß sie sich nur dann im Gleichgewicht
befindet, wenn die Frequenz des ihm zugeführten Eingangssignals sich von der Eigenfrequenz
der Saite 120 des Frequenznormals 22 unterscheidet, wird ein Rückkopplungssignal
von genügender Größe und richtiger Phase in bezug auf die Eigenfrequenz der Saite
nur dann vorhanden sein, wenn die Frequenz eines solchen Eingangssignals die gleiche
ist wie die Eigenfrequenz der Saite.
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Das durch den Verstärker 14 verstärkte Signal fließt durch die Wicklung
52 des Motors 54, und da die Brücke 12 des Oszillators 10 sich außerhalb der Eigenfrequenz
des Frequenznormals im Gleichgewicht befindet, ist die Größe und Phase des erregenden
Stromes für die Wicklung 52 äußerst stabil und konstant.
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Der Rückkopplungsstrom des Stromkreises 38 fließt ebenfalls durch
den Widerstand 60 zur Brücke 56, wodurch dieser Brücke eine sehr stabile Eingangsspannung
zugeführt wird. Die Brücke 56 wird jedoch bei der Eigenfrequenz des abgestimmten
Istwertgebers 68 im Gleichgewicht gehalten, so daß, solange die Vorspannung der
Saite 120 des Istwertgebers 68 derart ist, daß sie die Saite auf die Frequenz des
auf die Brücke übertragenen Signals abstimmt, an den dazugehörigen Ausgängen 74
und 76 kein Potential ansteht. Wenn jedoch die Saite 120 des Istwertgebers 68 auf
eine andere Frequenz als diejenige des Eingangssignals für die Brücke 56 abgestimmt
ist, ist die Brücke nicht mehr im Gleichgewicht, und daher wird ein Potential an
dem zugehörigen Ausgang entstehen. Unter dieser Bedingung wird durch die Leitung
80, 82 ein Signal an den Fehlerverstärker 84 weitergegeben, wo es verstärkt und
der Wicklung 86 des Motors 54 zugeführt wird. Ein solches Fehlersignal steigert
mit sich steigerndem Frequenzunterschied zwischen dem Eingangssignal der Brücke
56 und den Schwingungen der Saite 120 des Istwertgebers nicht nur seine Größe, sondern
auch den Phasenwinkel zwischen einem solchen Eingangssignal und dem dazugehörigen
Ausgangssignal, wie es am Transformator 70 auftritt. Sie steigert sich gleichfalls
mit dem Anwachsen des Frequenzunterschiedes zwischen einem solchen Eingangssignal
und den Schwingungen der Saite 120 des Istwertgebers. Da ein solches Eingangssignal
für die Brücke 56 die gleiche Phase hat wie das der Wicklung 52 des Motors 54 zugeführte
Erregungssignal, steigert sich bei Zunahme des Frequenzunterschiedes zwischen dem
auf die Brücke 56 wirksamen Eingangssignal und den Schwingungen der Saite 120 des
Istwertgebers auch das Drehmoment des Motors 54, welches dem Produkt der Spannungen
über den Wicklungen 52 und 86 und den zwischen ihnen bestehenden Phasenwinkeln proportional
ist. Solange daher der Druck in der Leitung 96 derart ist, daß ex die Vorspannung
der Saite 120 des Istwertgebers auf einen Wert hält; welcher den Draht auf die gleiche
Frequenz wie diejenige des auf die Brücke 56 wirksamen Eingangssgnalsabstimmt, wird
der Motor 54 nicht erregt, um die Stellung des Ventils 98 zu verändern. Sowie jedoch
der Druck in der Leitung 96 ab- oder zunimmt und die Spannung und damit die Eigenfrequenz
der Saite sieh verändert, gelangt an die Wicklung 86 des Motors 54 ein Fehlersignal.
Der Motor betätigt das VeirW 9'8 so lange und verändert den in der Leitung 96 hßxrschenden
Druck derart, bis die Vorspannung der Saite 120 des Istwertgebers so groß ist, daß
diese mit der Frequenz des auf die Brücke gegebenen' Eingangssignals schwingt. :Auf
diese Weise wird mit Hilfe des Istwertgebers 68 in der Anordnung nach der- F i g:
1 ununterbrochen der in der Leitung 96 herrschende Druck mit einem vorbestimmten
Bezugs- oder Sollwert, der durch das Frequenznormal 22 des Oszillators 10 bestimmt
wird, verglichen. Die. der F i g. 1 ist äußerst empfindlich, da die Gesdhwitidigket,
mit der der Motor 54 die Regelgröße (beire Ausführungsbeispiel der Druck) auf den
vorbestimmten Sollwert zurückführt, der Regelabweichuüg proportional ist, was auf
den Wechsel "sowohl in der Größe als auch Inder Phase des der Wicklung 86 clM Motors;54
zugeführten Fehlersignals zuriickzufimreu ist. Obwohl es zur erfolgreichen Anwendung
der trÜndung nicht nötig ist, ist es doch vorteilhaft; die Brücke 56 so anzuordnen,
daß die Steuerwicklu$g $6 jeg . Motors 54. nie vollkommen urerregt ist: Hierdurch
wird eine Verzögerung im Ansprechen des Istwertgebers 68 vermieden.
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Obwohl das Frequenznormal 22, wie es in F i g: 4 gezeigt ist, auf
die Regelgröße nicht anspricht, was notwendigerweise bei dem Isiwertgeber 68 der
Fall ist, liegt es im Rahmen der daß auch das Frequenznorma122 sehr wohl die Schwingungsfrequenz
des Oszillators 10 in Abhängigkeit von etwaigen Störgrößen verändern kann: In diesem
Falle könnte bei der Anordnung gemäß F i g.1 das Frequenznormal 22 in der Brücke
12 durch eine Vorrichtung, wie sie in F i g. 2 und 3 gezeigt ist, ersetzt werden.
Unter diesen Bedingungen würde sich die Frequenz des Rückkopplungssignals in dem
Rückkopplungskreis 38 gemäß den Veränderungen einer solchen Störgröße und damit
auch die Frequenz des auf die Brücke 56 wirksamen Eingangssignals ununterbrochen
verändern. Daher würde sich die Eigenfrequenz der Saite des Istwertgebers 68, die
nötig ist, um die Brücke 56 im Gleichgewicht zu halten, ebenfalls gemäß der Veränderungen
der Störgröße, die durch das Frequenznormal des Brückennetzes 12 wahrgenommen wird,
verändern. Auf diese Weise würde der in der Leitung 96 herrschende Druck nicht konstant
gehalten werden, sondern ein solcher Druck würde sich den durch das Frequenznormal
der Brücke 12 wahrgenommenen Änderungen der Störgröße anpassen.
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Bei jedem der in F i g. 2 bzw. 4 im einzelnen gezeigten Vorrichtungen
kann die Vorspannung der Saiten von Hand eingestellt werden. Das heißt, die Vorspannung
dieser Saiten kann auf Wunsch durch einen Wechsel in den entsprechenden Stellungen
der Klemmenteilo 130 und der Einstellmutter 132 geändert werden. Solche Einstellmittel
ermöglichen es,
daß jede der Vorrichtungen genau eingestellt werden
kann, um sicherzustellen, daß der Druck innerhalb der Leitung 96 nach Wunsch geregelt
wird.