DE1244922B - Elektrischer Regler mit einer photoelektrischen Abtasteinrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT G05f

DeutscheKl.: 21c-46/51

Nummer: 1 244 922

Aktenzeichen: M 55379 VIII b/21 c

1 244 922 Anmeldetag: 10.Januar 1963

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Regler mit einer photoelektrischen Abtasteinrichtung.

Es ist bereits bekannt, das von einem Fühlerelement kommende elektrische Signal auf einem Galvanometer anzuzeigen und die Zeigerstellung des Galvanometers mit Hilfe einer photoelektrischen Abtasteinrichtung abzutasten. Es ist weiterhin bekannt, die photoelektrische Abtasteinrichtung auf einem mit einem Zeiger versehenen Schwenkhebel zu montieren und das Ganze als Sollwertgeber zu benutzen. Die Abweichung des Zeigers von der durch den Sollwertgeber eingestellten Abtasteinrichtung wird als Fehlersignal einem Regelverstärker zugeleitet, der eine Stellgröße für die Einrichtung erzeugt, deren Zustand der Fühler überwacht.

Um die Regelgenauigkeit solcher Einrichtungen mit einer photoelektrischen Abtasteinrichtung zu erhöhen, ist es bereits bekannt, zwei photoelektrische Umsetzer vorzusehen, die je einem von zwei parallelgeschalteten Reglerzweigen zugeordnet sind. Der erste Zweig hat Proportional- und der zweite Integralverhalten, und die Stellgrößen der beiden Zweige werden in einer gemeinsamen Verstärkerschaltung überlagert und dem Stellglied zugeführt. Derartige Regelverfahren haben sich jedoch wegen des verhältnismäßig komplizierten Aufbaus der Blenden und optischen Abtasteinrichtungen nur für solche Geber durchsetzen können, bei denen zur Steuerung der Blenden verhältnismäßig große Kräfte zur Verfügung stehen. Solche Kräfte stehen jedoch bei Galvanometern nicht zur Verfügung. Außerdem ist die Führung eines langen Galvanometerzeigers quer zur Auslenkrichtung des Zeigers nicht sehr genau, weil durch Erschütterungen und sonstige Einflüsse sich der Zeiger durchbiegen kann. Ein am Ende eines solchen Zeigers angeordnetes Blendensystem würde diesen Querbewegungen folgen und unter Umständen zu Störsignalen in der optischen Abtasteinrichtung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Einrichtungen zu vermeiden.

Die Erfindung geht also aus von einem elektrischen Regler mit einer photoelektrischen Abtasteinrichtung, die aus einem in Abhängigkeit von der Regelgröße auslenkbaren Glied besteht, das mit einer Abblendvorrichtung versehen ist, die im Bereich des Sollwertes in den Strahlengang einer Lichtquelle eingreift, deren Licht zwei photoelektrische Umsetzer steuert, die je einem von zwei parallelgeschalteten Reglerzweigen zugeordnet sind, von denen der erste Zweig Proportional- und der zweite Elektrischer Regler mit einer photoelektrischen
Abtasteinrichtung

Anmelder:

Honeywell Inc., Minneapolis, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Mertens, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Neue Mainzer Str. 40-42

Als Erfinder benannt:

Albert V. Martin, Willowick, Ohio (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 12. Januar 1962 (165 763)

Zweig Integralverhalten hat und deren Stellgrößen in einer gemeinsamen Verstärkerschaltung überlagert und dem Stellghed zugeführt sind. Ein solcher Regler ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Abblendvorrichtung aus zwei zur Bewegungsrichtung des auslenkbaren Gliedes quer nebeneinander angeordneten Teilblenden mit voneinander abweichendem Lichtdurchlässigkeitsverlauf besteht, die je einem photoelektrischen Umsetzer zugeordnet sind und deren Lichtdurchlässigkeit sich in Richtung der Auslenkung stetig ändert.

Ein solcher Regler hat den Vorteil, daß die beiden Teilblenden sehr leicht aufgebaut und auf dem Zeiger eines Galvanometers angeordnet sein können, ohne daß dadurch die Anzeigegenauigkeit oder Anzeigeempfindlichkeit des Galvanometers beeinträchtigt wird.

Die Teilblenden sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß ihr Lichtdurchlässigkeitsverlauf durch ein Material mit sich in Auslenkrichtung des Gliedes stetig ändernder Opazität gebildet ist. Die Verwendung eines Blendenmaterials mit sich stetig ändernder Opazität ist an sich bekannt. Es war jedoch noch nicht bekannt, eine solche Blende mit Vorteil bei solchen Einrichtungen anzuwenden, bei denen die Blende quer zur Auslenkrichtung durch eine weiche Lagerung Schwankungen unterworfen ist, die z. B. bei einer keilförmigen Form der Blende zu großen Fehlern in der Abtastung führen würden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt

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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines für den elektrischen Regler verwendeten Galvanometers mit der entsprechenden Abtasteinrichtung,

F i g. 2 eine vergrößerte Stirnansicht einer Abblendvorrichtung der Einrichtung nach F i g. 1 und

F i g. 3 das Schaltbild eines Regelverstärkers für die Einrichtung nach Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Steuergerät des erfindungsgemäßen Reglers, das aus einem abgewandelten Galvanometer 4 besteht, ist mit seiner Wicklung 6 an ein Thermoelement 2 angeschlossen. Der mit der bewegbaren Wicklung 6 verbundene Zeigerarm 10 endet in einer Zeigerspitze, die sich über einer Skala 12 bewegt und die von dem Thermoelement 2 festgestellte Temperatur anzeigt. An dem Zeigerarm 10 ist außerdem eine Blendenanordnung 14 befestigt. Um den gleichen Schwenkpunkt wie der Zeigerarm 10 ist ein Sollwerteinstellarm 16 schwenkbar gelagert, der am Ende ebenfalls eine auf die Skala 12 zeigende Spitze hat. Dieser Arm 16 läßt sich mittels eines Drehknopfes 18 und eines Getriebes 20 zur Einstellung bewegen.

Der Arm 16 trägt eine Lichtquelle 22 und einen Halter 24 für mehrere Photozellen 26 und 28. Die vom Zeigerarm 10 getragene Blendenanordnung 14, die in F i g. 2 vergrößert wiedergegeben ist, hat zwei übereinander angeordnete Teilblenden 30 und 31 mit unterschiedlichen Lichtübertragungseigenschaften. Die Teilblende 30 liegt zwischen der Lichtquelle 22 und der Photozelle 26 und die Teilblende 31 zwischen der Lichtquelle 22 und den beiden Photozellen 28. Als Blendenmaterial kann ein durchsichtiger Kunststoff dienen.

Der Opazitätsverlauf der Teilblende 30 ist derart, daß ihre Lichtdurchlässigkeit von links nach rechts allmählich zunimmt, während der Verlauf bei der Teilblende 31 so ist, daß die Lichtdurchlässigkeit von der Mitte aus nach beiden Seiten allmählich zunimmt. Beide Teilblenden können aus einem Stück bestehen.

Je nach der Stellung der Blendenanordnung 14 gegenüber der photoelektrischen Abtasteinrichtung 22, 26, 28 werden von den Photozellen verschiedene Photoströme geliefert, so daß die Stellung des Zeigers 10 gegenüber dem Sollwerteinstellarm 16 ohne Kraftbelastung des ZeigerslO festgestellt werden kann.

In Fig. 3 ist das Schaltbild eines Regelverstärkers gezeigt. Er enthält einen magnetischen Verstärker 32, der zwei Arbeitswicklungen 34, einen sättigbaren Kern 36, eine Steuerwicklung 38 und eine Vorstromwicklung 40 hat. Die Arbeitswicklungen 34 sind an die Sekundärwicklung 42 eines Transformators 44 angeschlossen, dessen Primärwicklung 46 von einer geregelten Wechselstromquelle 48 gespeist wird. Zwei entgegengesetzt gepolte Dioden 50 liegen in Reihe zwischen benachbarten Enden der beiden Arbeitswicklungen 34. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Dioden 50 und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 42 des Transformators 44 ist der Ausgang 52 angeschlossen.

Der magnetische Verstärker 32 wird durch die Signale gesteuert, die der Steuerwicklung 38 aus einer Brückenschaltung zugeführt werden. Die Photozelle 26 bildet einen ersten und ein veränderbarer Winderstand 54 und ein fester Widerstand 56 einen zweiten Brückenzweig. Die beiden weiteren Zweige der Brücke werden von zwei Thermistoren

58 und 60 gebildet. Die eine Brückendiagonale wird durch eine Gleichrichterschaltung gespeist, die aus einer Sekundärwicklung 62 des Transformators 44, einem Gleichrichter 64 und einem SiebgUed 66,68, 70 besteht. Die andere Brückendiagonale ist an die Steuerwicklung 38 des magnetischen Verstärkers 32 angeschlossen. Ein Widerstandsnetzwerk 72, 74, 76 für die Einstellung der EmpfindUchkeit liegt der Steuerwicklung 38 parallel. Der Arbeitsbereich des

ίο magnetischen Verstärkers 32 wird über ein Potentiometer 78 für den Strom durch die Vorstromwicklung 40 eingestellt.

Die Brücke befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Stellungen des Zeigers 10 und des Einstellarmes 16 zusammenfallen. Abweichungen der Stellungen voneinander bewirken eine Verstimmung der Brücke, wodurch der Steuerwicklung 38 ein Steuersignal zugeführt wird, das am Ausgang 52 ein Ausgangssignal solcher Richtung erzeugt, das die zu regelnde Größe

ao auf den gewünschten Wert bringt.

Die beiden Photozellen 28 werden über Vorwiderstände 86 und 88 aus der mittelangezapften Sekundärwicklung 84 eines Transformators 80 gespeist, dessen Primärwicklung 82 an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist.

Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Photozellen 28 ist an das Steuergitter einer ersten Verstärkerröhre 90 angeschlossen. Der Ausgang der Röhre 90 ist über einen Kondensator 92, einen Widerstand 94 und ein Potentiometer 96 an den Eingang einer zweiten Verstärkerröhre 98 angeschlossen. Mit dem Ausgang der Röhre 98 sind die Steuergitter einer mit einer Doppeltriode 100 aufgebauten Ausgangsstufe verbunden.

Eine Gleichrichteranordnung 104, die an die mittelangezapfte Sekundärwicklung 102 des Transformators 80 angeschlossen ist, liefert sowohl eine positive Anodenspannung für die Röhre 90 als auch eine negative Kathodenspannung für die Röhre 98, deren Anode an Masse liegt. Der Gitterableiterwiderstand 108 ist ebenfalls an die negative Spannung angeschlossen. Die Anoden der Doppeltriode 100 sind über Heizwiderstände 110,112 an die beiden Enden der Sekundärwicklung 102 angeschlossen und werden somit mit gegenphasigen Wechselspannungen versorgt. Sie bilden somit einen phasenempfindUchen Verstärker. Diese Heizwiderstände beheizen je einen Thermistor 60 bzw. 58 der Brückenschaltung. Der elektrische Regler funktioniert folgendermaßen: Das Thermoelement 2 erzeugt ein elektrisches Signal, das ein Maß für die Temperatur ist, der es ausgesetzt ist. Dieses elektrische Signal wird dem Galvanometer 4 zugeführt, und der Anzeigearm 10 zeigt auf der Skala einen der Temperatur entsprechenden Wert an.

Liegt die gemessene Temperatur wesentlich unter dem Einstellpunkt des Sollwerteinstellarms 16, so tritt die Blende 14 nicht zwischen die Lichtquelle 22 und die Photozellen 26 und 28, und diese erhalten volles Licht. Die beiden Photozellen 28 empfangen die gleiche Lichtmenge und stören deshalb über die von ihnen gesteuerten Thermistoren das Brückengleichgewicht. Die Brücke befindet sich aber nur im Gleichgewicht, wenn die Photozelle 26 sich in der Mitte der Teilblende 30 befindet und somit etwa die halbe Lichtmenge gegenüber dem unabgedeckten Zustand erhält. Wenn die Photozelle 26 die volle Lichtmenge empfängt, ist die Brücke in einer Rieh-

Claims (1)

tung verstimmt, in der der magnetische Verstärker 32 ein großes Ausgangssignal mit einer solchen Polarität erzeugt, die über ein entsprechendes Stellglied die Temperatur erhöht. Mit zunehmender Temperatur und der entsprechenden Bewegung des S Zeigers 10 tritt die Blende 14 zwischen die Lichtquelle 22 und die Photozellen. Hierdurch wird die auf die Photozelle 26 fallende Lichtmenge und damit die Ausgangsleistung des magnetischen Verstärkers 32 so lange progressiv verringert, bis die Blende 14 die Mittelstellung erreicht hat, in der die Brücke abgeglichen ist und das Ausgangssignal des magnetischen Verstärkers auf denjenigen Wert abgenommen hat, der zur Aufrechterhaltung des Sollwertes nötig ist. Sollte sich die zu regelnde Temperatur aus irgendwelchen Gründen ändern, so bleibt der ZeigerlO nicht mehr genau über dem Zeiger des Sollwerteinstellarmes 16. Die Brücke wird also verstimmt, und über den magnetischen Verstärker wird ein ao Stellglied zum Erhöhen oder Erniedrigen der die Temperatur beeinflussenden Brennstoffmenge od. dgl. betätigt. Es verbleibt bei einem solchen Regelvorgang jedoch ein Restfehler, weil die Brücke etwas verstimmt bleiben muß, damit das Stellglied entsprechend betätigt bleibt. Dieser Restfehler wird durch den Regelzweig mit der Teilblende 31 und den Photoelementen 28 vermindert. Es sei angenommen, daß die zu regelnde Temperatur unter dem eingestellten Sollwert liegt. Die Mitte der Teilblende 31 steht also nicht genau zwischen den beiden Photoelementen 28, so daß diese ungleich beleuchtet werden. Hierdurch entsteht am Gitter der Röhre 90 eine Wechselspannung, deren Phasenlage davon abhängt, ob das eine oder das andere Photoelement 28 stärker als das jeweils andere beleuchtet wird. Dieses Signal wird durch die Verstärkerstufen 90,98 und 100 verstärkt. Da die Anoden der DoppeltriodelOO mit zueinander gegenphasigen Wechselspannungen gespeist werden, werden die beiden Röhrensysteme abwechselnd wirksam. Durch diese Maßnahme erfolgt eine phasenabhängige Demodulation der verstärkten Wechselspannungssignale. Wird also angenommen, daß die untere der beiden in F i g. 3 gezeigten Photozellen 28 mehr Licht empfängt, so wird die am Gitter der Röhre 90 anstehende Wechselspannung in Phase mit der an dem unteren Anschluß der Wicklung 84 auftretenden Wechselspannung sein. Ein Anodenstrom kann nur in dem Röhrensystem der Ausgangsstufe 100 fließen, das bei der positiven Halbwelle an den Steuergittern der Röhre 100 gleichzeitig eine positive Halbwelle der Anodenwechselspannung erhält. Im vorliegenden Fall trifft dies für das linke Röhrensystem zu, so daß also der Heizwiderstand 110 vom Strom durchflossen wird. Die hierbei erzeugte Wärme ändert die Temperatur des Thermistors 60 und senkt dessen Widerstand. Das führt zu einer Verstimmung der Brücke in einer Richtung, daß das Ausgangssignal des magnetischen Verstärkers 32 vergrößert wird, wodurch die Temperatur gesteigert wird. Mit zunehmender Temperatur bewegt sich der die Blende 14 tragende Arm 10 skalenaufwärts und kommt erst genau an der Stelle des Sollwertes zur Ruhe, an der die Mitte der Blende 14 genau zwischen den beiden Photozellen 28 steht. Im umgekehrten Fall, wenn also der Zeiger 10 über dem Sollwert steht, wird die obere der beiden in F i g. 3 gezeigten Photozellen 28 den größeren Lichtanteil erhalten, und die am Eingang des Verstärkers liegende Wechselspannung wird gegenüber dem obenerwähnten Fall die entgegengesetzte Phasenlage haben. Unter diesen Umständen fließt ein Strom in der rechten Ausgangsstufe der Röhre 100 und dem Heizwiderstand 112. Uber den Thermistor 58 wird die Brücke in entgegengesetzter Richtung verstimmt, und das Ausgangssignal des magnetischen Verstärkers nimmt ab. Dadurch wird die Temperatur auf den Wert gesenkt, der durch die Sollwerteinstellung verlangt wird. Die Thermistoren 58 und 60 sind derart ausgebildet, daß sie eine bestimmte thermische Trägheit haben. Hierdurch entsteht eine erwünschte Zeitintegralfunktion für diesen Regelzweig. Obwohl die Heizwiderstände 110, 112 ziemlich schnell ansprechen, ist die auf die Thermistoren 58,60 übertragene Wärme proportional sowohl der Temperatur als auch der Zeitdauer der Zufuhr dieser Wärme. Das bedeutet, daß für eine gegebene Temperatur der Heizwiderstände 110,112 der zugeordnete Thermistor um so heißer wird, je länger die Wärme zugeführt wird. Die Wärme wird so lange zugeführt, wie die Teilblende 31 der Blendenanordnung 14 nicht auf die Mitte zwischen den beiden Photozellen 28 ausgerichtet ist. Die Empfindlichkeit dieses Regelzweiges mit Integralverhalten kann durch das Potentiometer 96 eingestellt werden, mit dem die Verstärkung geändert werden kann. Ist der Verstärker auf kleinste Verstärkung eingestellt, so kann durch Handbetätigung des veränderbaren Widerstandes 54 der Brückenschaltung eine Nachführung des Istwertes erfolgen. Die Grundzüge der Erfindung sind in gleicher Weise auf Steuersysteme anwendbar, in denen andere Arten von Fühlern und Anzeigeinstrumenten benutzt werden. Beispielsweise kann ein zu regelnder Druck auf ein Instrument gegeben werden, welches als bewegliches Organ ein Bourdon-Rohr hat. Derartige Instrumente haben einen beweglichen Arm, an dem eine entsprechende Blendenanordnung — wie sie bei dem Galvanometer des Ausführungsbeispiels beschrieben wurde — befestigt ist. Patentansprüche:

1. Elektrischer Regler mit einer photoelektrischen Abtasteinrichtung, die aus einem in Abhängigkeit von der Regelgröße auslenkbaren Glied besteht, das mit einer Abblendvorrichtung versehen ist, die im Bereich des Sollwertes in den Strahlengang einer Lichtquelle eingreift, deren Licht zwei photoelektrische Umsetzer steuert, die je einem von zwei parallelgeschalteten Reglerzweigen zugeordnet sind, von denen der erste Zweig Proportional- und der zweite Zweig Integralverhalten hat und deren Stellgrößen in einer gemeinsamen Verstärkerschaltung überlagert und dem Stellglied zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblendvorrichtung (14) aus zwei zur Bewegungsrichtung des auslenkbaren Gliedes (10) quer nebeneinander angeordneten Teilblenden (30, 31) mit voneinander abweichendem Lichtdurchlässigkeitsverlauf besteht, die je einem photoelektrischen Umsetzer (22, 26; 22, 28) zugeordnet sind und deren Licht-