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Unstetiger Regler mit lichtelektrischem Schalter Die Erfindung richtet
sich auf einen unstetigen Regler mit lichtelektrischem Schalter, bestehend aus einer
Lichtquelle, einem das Lichtbündel ablenkenden Spiegelgalvanometer und einer das
Lichtbündel auffangenden Fotozelle unter Verwendung einer das Lichtbündel modulierenden
rotierenden Blende zur Linearisierung des Reglers.
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In der Regeltechnik wird der Zweipunktregler wegen seiner Einfachheit
und seiner hohen Schaltleistung zur Lösung der verschiedensten Regelaufgaben verwendet.
Bekannte Beispiele hierfür sind das Quecksilber-Kontaktthermometer, der Fallbügelregler
oder der lichtelektrische Schalter.
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Der Nachteil dieser an sich einfachen Regler ist jedoch darin zu sehen,
daß ihre Arbeitsweise oft mit beträchtlichen periodischen Schwankungen verbunden
ist. Durch diese Schwankungen ist die gewünschte Begrenzung der Abweichungen vom
Sollwert nicht gegeben. Diese periodischen Schwankungen des Istwertes werden im
einfachsten Fall durch einen stetigen Regler, z. B. einen P-Regler, vermieden. P-Regler
können allerdings eine beliebige Störung nicht vollständig ausregeln. Die Abweichungen
vom Sollwert können jedoch sehr klein gehalten werden. Als Beispiel hierfür mag
die Umwandlung von Istwertänderungen über ein System Galvanometer-Lichtzeiger-Fotozelle
in Spannungsschwankungen an einer Fotozelle dienen. Diese beeinflussen die Gitterspannung
an einem Thyratron, wodurch der Zündpunkt des Thyratrons entsprechend verschoben
wird. Man erreicht auf diese Weise eine stetige Mittelwertänderung einer Leistung.
Ein Nachteil dieses stetigen Reglers ist die Tatsache, daß Thyratrons sehr kostspielig
sind.
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Im übrigen ist es in den meisten Fällen nicht notwendig, die Stellgrößenänderungen
mit so großer Frequenz, wie sie beim Wechselstrom auftreten, vorzunehmen. Bei Regelstrecken
mit großer Zeitkonstante kann man die intermittierenden Stellgrößenänderungen von
einer wesentlich kleineren Frequenz wählen als die des Wechselstroms.
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Das Thyratron kann daher im allgemeinen durch ein viel einfacheres
Relais in Zweipunktschaltung ersetzt werden. Ein Relais ist einem Thyratron zunächst
dadurch unterlegen, daß es den Strom nur ein- und ausschalten kann, während das
Thyratron jeden Zwischenwert liefert. Dieser Nachteil wird durch den sogenannten
Gouy-Modulator behoben. Bei diesem Gouy-Modulator werden dem Sollwert periodische
Schwankungen überlagert. Auf diese Weise erreicht man, daß die Ein- und Ausschaltzeiten
des Relais sich in gewissen Grenzen proportional mit den Abweichungen des Istweries
vom Sollwert ändern. Nachteilig ist, daß bei einem solchen Gouy-Modulator Eingriffe
an dem Sollwert vorgenommen werden.
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Zusammenfassend ergibt sich: Ein Zweipunkt: regier hat den Vorteil
großer Schaltleistung und den Nachteil periodischer Schwankungen des Istwertes.
Ein P-Regler ermöglicht das Ausregeln von Störgrößen stetig und proportional. Nachteilig
dabei jedoch ist, daß sich Störungen nur unvollständig ausregeln lassen. Der Gouy-Modulator
hat den Vorteil, daß ein unstetiger Regler in gewissen Bereichen linearisiert werden
kann. Von Nachteil ist dabei aber der Eingriff in den Sollwert.
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Ein vorbekannter Regler erzeugt mittels einer rotierenden Blende ein
periodisches Aufblenden eines Lichtstrahls, und ein Fotozellenrelais überträgt diese
Signalfolge Hell-Dunkel in ein Aus-Ein-Schalten des Relais. Ohne rotierende Blende
wird dieser Regler jedoch unwirksam, da dann die Schaltfolge des Relais unterbrochen
wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die Rotation der Blende bei abgedeckter
Fotozelle endet. Dieser Regler ist dann nicht mehr in der Lage, irgendwelche Abweichungen
des Instruments zu registrieren.
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Die vorbekannten Regler gehen im allgemeinen von einer Beeinflussung
des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Auslenkung aus, d. h., eine vorhandene
Blende ist zwischen der Ablenkvorrichtung und der Fotozelle angeordnet.
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Eine weitere vorbekannte Vorrichtung zur Reglung physikalischer Größen
stellt den Prototyp des sogenannten Gouy-Modulators dar, bei welchem als Meßfühler
ein elektrisches Meßgerät und an Stelle des die Anzeige abgreifenden oszillierenden
Kontakts eine Fotozelle vorgesehen ist. Dabei handelt es sich
jedoch
im wesentlichen um die Kombination der Anzeige eines Meßgerätes mit einer oszillierenden
Markierung des Sollwertes der Regelgröße. Die Nachteile dieser Anordnung liegen
vor allem in der beträchtlichen Auswirkung von Trägheitskräften sowie im Erfordernis
einer ständigen Nachjustierung. Weiter ist das Auflösungsvermögen des Reglers durch
die Verwendung einer Fotozelle ebenso begrenzt wie die Modulationsfrequenz.
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Schließlich gehört eine Verstärker- bzw. Nachstellvorrichtung zum
Stand der Technik, bei der der Lichtstrahl durch einen Spalt beiderseits eng begrenzt
ist. Sie dient dazu, die durch eine variable, sehr geringe elektrische Leistung
bewirkte Galvanometerauslenkung in eine proportionale Änderung der Leistungsaufnahme
eines anderen Objekts zu verstärken, wozu jedoch infolge der geringen Totzeit und
Zeitkonstante Tonfrequenzen erforderlich sind. Dies setzt einen beträchtlichen Aufwand
voraus, ohne daß tatsächlich eine Proportionalitätsreglung erfolgt. Hierzu müßte,
was bei der bekannten Vorrichtung nicht der Fall ist, die Ausgangsgröße einer Regelstrecke
in der Weise zugeführt werden, daß die durch das Galvanometer angezeigte Abweichung
des Istwertes vom Sollwert der Regelgröße um den Regelfaktor reduziert wird. Weiter
bereitet die exakte Oszillation eines vergleichsweise schweren Spiegels Schwierigkeiten,
was die Funktionssicherheit beeinträchtigt. Bei Fortfall der Oszillation fällt dieses
Gerät jedoch völlig aus.
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Aus dem Stand der Technik ergibt sich das Bedürfnis nach einem unstetigen
Regler von sehr einfachem Aufbau und infolgedessen höchster Funktionssicherheit
unter Verwendung einer großen Totzeit und Zeitkonstante. Dabei sollen gleichzeitig
die Nachteile der bekannten Regelgeräte vermieden werden.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, daß die das Lichtbündel modulierende
rotierende Blende zwischen Lichtquelle und Spiegelgalvanometer angeordnet ist und
nur teilweise in den Strahlengang eingreift. Die Modulation erfolgt damit unmittelbar
durch die beleuchtete Kante der umlaufenden Blende, so daß zunächst gegenüber der
Verwendung eines beidseitig durch einen Spalt begrenzten Lichtstrahls in Verbindung
mit einem Spiegel ein Element in Fortfall kommt. Die kontinuierliche Rotation der
Blende bereitet andererseits technisch viel weniger Schwierigkeiten als die exakte
und mittels Tonfrequenz erzwungene Schwingung eines Spiegels. Entscheidend ist jedoch
weiterhin, daß ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Regler auch bei stillstehender
Blende noch als Zweipunktregler seine Funktion beibehält.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Blende exzentrisch
auf einer umlaufenden Welle anzuordnen.
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Der Regler nach der Erfindung verbindet damit die Vorteile eines Zweipunktreglers
mit denen eines stetigen P-Reglers, wobei die Linearisierung dadurch erzielt wird,
daß der Lichtzeiger des lichtelektrischen Schalters in seiner Querschnittsabmessung
periodischen Veränderungen unterworfen wird. Der erfindungsgemäße Regler entgeht
dem Nachteil des Gouy-Modulators durch Variation des Lichtzeigers, d. h. durch einen
Eingriff an einer Stelle, an der keine Beeinflussung des Ist- und Sollwerts gegeben
ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt F i g. 1 eine schematische Seitenansicht des Reglers nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Draufblick auf den Regler nach Fig.l, F i g. 3 einen Projektorschlitz
mit Blende.
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Der in F i g.1 und 2 dargestellte Temperaturregler besteht im wesentlichen
aus einem Thermoelement 1, einer Sollwert-Einstellvorrichtung 2, einem Spiegelgalvanometer
3, dem lichtelektrischen Schalter 4 mit Fotozelle 5, einem Projektor 6 zur Erzeugung
des Lichtbündels 7 und einer in den Strahlengeng vor den Projektor eingeschalteten,
rotierenden Blende 8, die von dem Motor 9 angetrieben wird.
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F i g. 3 zeigt den Projektorschlitz 10 mit der Blende 8 in aufgeblendetem
(gestrichelt gezeichnet) und abgeblendetem (ausgezogen gezeichnet) Zustand.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Das Thermoelement 1
erzeugt eine Thermokraft entsprechend der vorhandenen Temperatur. Die Thermokraft
entspricht also dem Istwert. Diese Thermokraft wird im Kompensationsverfahren an
einem Potentiometer in der Sollwert-Einstellvorrichtung 2 mit dem Sollwert verglichen.
Die Abweichung vom Sollwert wird durch einen Galvanometerausschlag angezeigt. Stimmen
Istwert und Sollwert überein, so zeigt die Lichtmarke mit der einen Seite genau
auf die Fotozelle 5.
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Sind positive oder negative Abweichungen vom Sollwert vorhanden, so
fällt auf die Fotozelle Licht, oder sie liegt im Dunkeln. Ist der Motor 9 nicht
im Betrieb, so wirkt die Regeleinrichtung als einfacher Zweipunktregler. Wenn also
die Fotozelle belichtet wird, dann tritt der lichtelektrische Schalter in Tätigkeit,
und es wird dem Ofen unstetig eine höhere Leistung zugeführt. Wandert das Lichtbündel
über die Fotozelle, so daß die Fotozelle wieder im Dunkeln liegt, so wird dem Ofen
eine niedrigere Leistung unstetig zugeführt. Wird der Motor 9 in Betrieb gesetzt,
so wird durch die Blende 8 vor dem Projektor das Lichtbündel 7 in seinen Abmessungen
variiert, z. B. einfach dadurch, daß auf der Welle des Motors eine exzentrische
Blende 8 sitzt, die den Projektorschlitz 10 mehr oder weniger abdeckt. Das
Bild dieses Spaltes erscheint am Ort der Fotozelle und ändert seine Abmessungen
periodisch. Wandert nun das Lichtbündel auf der Fotozelle von Dunkel nach Hell,
so wird der Schaltvorgang nicht nur einmal bei dem Übergang von Hell auf Dunkel
ausgelöst, sondern die Schaltfolge des lichtelektrischen Schalters wird nun entsprechend
der Frequenz der Abblendung in variablem Rhythmus erfolgen. Der erste Schaltvorgang
wird also eine kurze Einschaltzeit und eine lange Ausschaltzeit haben, und allmählich
wird die Einschaltzeit länger, bis endlich das Bild der Blende so weit über die
Fotozelle gewandert ist, bis dort dauernd Helligkeit herrscht.
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Der gesamte Bereich, in welchem sich die Schaltvorgänge stetig, in
vorliegendem Fall von kurzer auf längere Einschaltzeit ändern, ist der Proportionalbereich.