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Regeleinrichtung mit einem Verstärker Die Erfindung bezieht sich auf
eine Regeleinrichtung mit einem Verstärker, dem ein alternierendes Eingangssignal
zugeführt wird, dessen Amplitude proportional einer gemessenen Variablen ist und
mit einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Demodulator, der ein dem
Ausgangssignal des Verstärkers proportionales Gleichstromsignal an Läuferwicklungen
liefert, die auf einer je nach dem Wert des Ausgangssignals auslenkbaren beweglichen
Welle sitzen, sowie mit zwei elektromagnetisch gekoppelten Wicklungen, die in Abhängigkeit
von der Auslenkung der Welle relativ bewegbar sind, um das dem Verstärker zugeführte
alternierende Eingangssignal derart zu beeinflussen, daß das Ausgangssignal des
Verstärkers zu Null wird.
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Es ist bereits eine Regeleinrichtung bekannt, bei der ein irgendeiner
Variablen entsprechender Gleichstrom einer Tauchspule zugeführt und dadurch ein
vor der Tauchspule angeordneter Anker entsprechend der Größe des Gleichstroms bewegt
wird. Die Ankerbewegung wird mit Hilfe eines induktiven Abtastsystems in entsprechende
Wechselspannungssignale umgesetzt, die einem Verstärker zugeführt werden, der ein
Gleichstromsignal liefert, das der Drehspule eines Drehspulsystems zugeführt wird.
Das eine Ende der Rückstellfeder des Drehspulsystems ist mit der Drehspule und das
andere Ende mit einem den Anker tragenden Hebel verbunden. In der Gleichgewichtslage
des Hebels ist die von der Feder auf ihn ausgeübte Kraft gleich der von der Tauchspule
auf den Anker ausgeübten Kraft. Über das induktive Abgriffsystem wird der Strom
in der Drehspule so lange verändert, bis das Gleichgewicht hergestellt ist. Die
Ausschläge der Drehspule des Drehspulsystems sind daher ein sehr genaues Maß für
die Größe des der Tauchspule zugeführten Gleichstroms. Bei dieser bekannten Vorrichtung
wird also das Rückstellsignal von der unter dem Einfluß der Rückstellkraft einer
Feder erfolgenden Bewegung eines Hebels abgeleitet.
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Empfindlichkeit und Genauigkeit hängen also von den physikalischen
Eigenschaften dieser Feder ab, die von der Temperatur abhängen und sich im Lauf
der Zeit ändern können. Darüber hinaus ist auf Grund der mechanischen Trägheit der
Feder eine wesentliche Änderung der Federspannung erforderlich, um den Hebel merklich
zurückzustellen und das dem Verstärker zugeführte Eingangssignal einzustellen wird.
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Es ist auch bereits eine Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der
Drehzahl eines Elektromotors bekannt, bei der mit der Welle des Elektromotors eine
Tachometermaschine gekuppelt ist, die ein der Drehzahl der Motorwelle proportionales
Ausgangssignal liefert, das bei ruhender Motorwelle den Wert Null aufweist. Ein
der Lage der Motorwelle proportionales Rückkopplungssignal wird also von der Tachometermaschine
nicht erzeugt.
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Es ist weiterhin bereits eine Nachlaufregeleinrichtung bekannt, durch
die die Welle eines Stellmotors auf eine der Lage einer Eingangswelle entsprechende
Lage eingeregelt wird. Zur Erzeugung von der Lage der Welle des Stellmotors und
der Lage der Eingangswelle proportionalen Signalen werden Drehfeldsysteme verwendet,
die mit sinuswellenförmigen Signalen beaufschlagt sind.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine zur Anzeige einer
variablen elektrischen Meßgröße dienende Regeleinrichtung der eingangs genannten
Art derart auszugestalten, daß eine höhere Empfindlichkeit und größere Genauigkeit
erzielt wird. Insbesondere soll die Verwendung von mechanischen Rückstellelementen,
beispielsweise Federn, vermieden werden und zum Betrieb eine niedrige Speisespannung
verwendet werden können.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun bei einer Regeleinrichtung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das alternierende
Eingangssignal mit einer der gemessenen Variablen proportionalen Amplitude ein Rechteckwellensignal
ist und eine der elektromagnetisch gekoppelten Wicklungen mit einer Bezugssignalquelle
in Verbindung steht, die ein Rechteckwellensignal konstanter Amplitude liefert,
das in der anderen Wicklung ein Rechteckwellenrückkopplungssignal mit einer der
augenblicklichen Lage der Welle proportionalen Amplitude induziert, das zum Ver-
stärker
gegenphasig zum Rechteckwelleneingangssignal zurückgeführt ist, wodurch die Welle
in eine der Variablen proportionale Ruhelage gebracht wird.
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Die Regeleinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch hohe
Genauigkeit und durch große Empfindlichkeit aus, da keine mechanischen Rückstellorgane
verwendet werden, deren Rückstellkraft von der Temperatur abhängt und sich darüber
hinaus auch noch im Lauf der Zeit ändern kann, sondern die Einstellung der Welle
rein elektromagnetisch erfolgt. Durch Verwendung von Rechteckwellensignalen läßt
sich eine gute Stabilität und hohe Genauigkeit erzielen. Darüber hinaus läßt sich
der Eingangsspannungsbereich, d. h. der Bereich der zu messenden Eingangssignale,
leicht und zuverlässig einstellen.
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Beispielsweise kann der Eingangsspannungsbereich innerhalb von einigen
wenigen Millivolt bis zu 50 oder 100 Millivolt durch Änderung der Anzahl der Windungen
eines Eingangstransformators eingestellt werden. Die Messung von Gleichstromsignalen
ist äußerst einfach, da ein Gleichstromsignal leicht in ein entsprechendes Rechteckwellensignal
umgewandelt und dann mit dem Rechteckwellenrückkopplungssignal verglichen werden
kann. Die Regeleinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich darüber hinaus durch
einen kompakten Aufbau aus, da die zur Aufnahme der Meßgröße und zur Erzeugung des
Rückkopplungssignals dienenden Wicklungen alle auf der mit einem Aufzeichnungselement
gekuppelten Welle angeordnet sind.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung erläutert, die ein Schaltbild
einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Registriergerätes zeigt.
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Das Registriergerät zum Aufzeichnen des Wertes einer gemessenen Variablen
enthält einen Rechteckwellenverstärker 400, einen Demodulator 401, einen Motor 402
zum Antrieb der Schreibfeder und einen Umformer 403 zum Erzeugen eines der Stellung
der Schreibfeder entsprechenden Signals. Das dem Wert einer gemessenen Variablen
entsprechende elektrische Eingangssignal, das durch das Registriergerät aufgezeichnet
werden soll, wird über die Leitung 405 zugeführt. Das Eingangssignal ist ein Rechteckwellensignal,
dessen von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude proportional der gemessenen Variablen
ist.
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Das Eingangssignal wird über den von einem Kondensator406 und einem
Widerstand 407 gebildeten Zweig eines Mischnetzes dem Rechteckwellenverstärker 400
zugeführt. Über eine Leitung 410 wird sowohl dem Demodulator 401 als auch dem Umformehr
403 ein Bezugsrechteckwellensignal konstanter Amplitude zugeführt. Ein Netzgerät
26 sorgt für eine konstante Gleichspannung zwischen den Leitungen 35 und 36, wobei
im vorliegenden Fall die Spannung der Leitung 35 in bezug auf die Spannung der Leitung
36 negativ ist und 19,6 Volt beträgt.
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Im Registriergerät 24 wird ein elektrisches Nullabgleichsystem verwendet,
wobei die zugeführte Rechteckwelle mit einer die tatsächliche Stellung der Aufzeichnungsfeder
darstellenden Rechteckwelle verglichen und das dabei resultierende Fehlersignal
zur Verstellung der Feder verwendet wird. Es wird zunächst näher erläutert, wie
die Stellung der Aufzeichnungsfeder in eine Rechteckwelle umgesetzt wird, deren
Amplitude der Stellung der Feder entspricht. Den Ständerwicklungen 412 und 413 des
Umformers 403 wird die auf der Leitung 410 vorhandene Bezugsrechteckwelle zugeführt,
so daß über den
Läufer 415 ein entsprechendes Magnetfeld aufgebaut wird und dadurch
im Läufer ein Rechteckwellensignal induziert wird, dessen Amplitude von der Lage
des Läufers 415 zum Ständer abhängt. Die Bauelemente des Motors 402 und des Umformers
403 sind aus übereinandergeschichteten Blechen aufgebaut, die aus einem Magnetwerkstoff
bestehen, der eine sehr hohe Anfangspermeabilität besitzt, so daß die in der Läuferwicklung
416 induzierte Rechteckwelle verhältnismäßig steile Flanken und ebene Oberteile
besitzt.
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Wenn sich die Feder in der Mitte der Skala befindet, nimmt der Läufer
415 die in der Fig.1 gezeigte Stellung ein, wobei das in der Läuferwicklung 416
induzierte Rechteckwellensignal einen in der Mitte zwischen dem Höchstwert und dem
Tiefstwert liegenden Wert hat. Das Bezugsrechteckwellensignal wird auch einem aus
einem Widerstand 422, einem Potentiometer 423 und einem Widerstand 424 bestehenden
Spannungsteiler zugeführt. Die eine Seite der Läuferwicklung 416 ist mit der Verbindungsstelle
des Widerstandes 422 mit dem Potentiometer 423 verbunden.
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Der Widerstand 425 liegt parallel zur Wicklung 416.
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Am Potentiometer 423 und Widerstand 424 wird ein konstantes, jedoch
einstellbares Rechteckwellensignal erzeugt, welches zusammen mit der an der aus
der Läuferwicklung 416 und dem Widerstand 425 bestehenden Parallelschaltung liegenden
Rechteckwellenkomponente über ein Feinbereich-Einstellpotentiometer 426 dem zweiten
Zweig des aus einem Kondensator 428 und einem Widerstand 429 bestehenden Mischkreises
im Eingangskreis des Rechteckenwellenverstärkers 400 zugeführt wird. Das der gemessenen
Variablen proportionale Rechteckwellensignal wird auf diese Weise mit dem vom Umformer
403 stammenden Rechteckwellenrückkopplungssignal verglichen und das entstehende
Rechteckwellenfehlersignal wird im Rechteckwellenverstärker 400 verstärkt. Das Rechteckwellenausgangssignal
des Verstärkers 400 wird über eine Leitung 430 über einen Kondensator 431 dem Kollektor
eines Transistors 433 und über einen Kondensator 432 dem Kollektor eines Transistors
434 zugeführt. Die Emitter der Transistoren 433 und 434 sind geerdet, so daß bei
Stromführung des Transistors 433 der Kondensator 431 und bei Stromführung des Transistors
434 der Kondensator 432 geerdet wird. Das auf der Leitung 410 vorhandene Bezugsrechteckwellensignal
wird auch noch der Primärwicklung eines Kopplungstransformators 435 zugeführt, dessen
Sekundärwicklung mit den Basiselektroden der Transistoren 433 und 434 verbunden
ist, so daß diese beiden Transistoren abwechslungsweise stromführend sind. Falls
daher das auf der Leitung 430 auftretende Fehlersignal die eine Phase besitzt, wird
das Fehlersignal sowohl durch den Transistor 433 als auch durch den Transistor 434
demoduliert, so daß am Ausgangskondensator 440 eine unipolare Spannung der einen
Polarität und am Ausgangskondensator 441 eine unipolare Spannung der entgegengesetzten
Polarität erzeugt wird. Falls andererseits das Fehlersignal die entgegengesetzte
Phase hat, bewirken die Transistoren 433 und 434 eine Umkehr der Polarität der an
den Kondensatoren 440 und 441 auftretenden Spannungen.
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Zwischen dem Transistor 433 und dem zugehörigen Ausgangskondensator
440 liegt eine Diode 442, und zwischen dem Transistor 434 und dem dazugehörigen
Ausgangskondensator 432 liegt eine Diode 443, wodurch eine Spannungsverdopplungswirkung
entsteht
und dadurch die Ausgangsspannung an den Kondensatoren 440
und 441 wesentlich erhöht wird.
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Die an den Kondensatoren 440 und 441 auftretenden unipolaren Spannungen
werden jeweils in den Ausgangstransistoren 445 und 446 verstärkt. Der Kollektor
des Transistors 445 ist mit dem einen Ende der Läuferwicklung 450 des Motors 402
verbunden.
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Der Kollektor des Transistors 446 ist mit dem einen Ende der Läuferwicklung
451 des Motors 402 verbunden. Die anderen Enden der Wicklungen 450 und 451 stehen
mit der negative Spannung führenden Leitung 35 in Verbindung. Die Emitter der Transistoren
445 und 446 sind über einen gemeinsamen Widerstand 447 geerdet, so daß, falls an
den Kondensatoren 440 und 441 keine Spannungen vorhanden sind, die Transistoren
445 und 446 sehr wenig Strom ziehen und der Läufer 455 des Motors 402 die in den
F i g. 1 und 4 gezeigte Mittellage einnimmt. Falls das Fehlersignal auf der Leitung
430 die eine Polarität besitzt, nimmt die Spannung am Kondensator 440 in negativer
Richtung zu, so daß der Transistor 445 mehr Strom zieht, während gleichzeitig die
Spannung am Kondensator 441 in positiver Richtung zunimmt.
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Diese positive Zunahme der Spannung am Kondensator 441 hat jedoch
nur geringe Wirkung, da sie lediglich zur Folge hat, daß der Transistor 446 aufhört,
Strom zu führen. Als Resultat verbleibt daher, daß der Strom in der Läuferwicklung
450 wesentlich zunimmt, so daß ein Magnetfeld entsteht, welches den Läufer 455 in
der einen Richtung aus seiner Mittelstellung bewegt. Falls das Fehlersignal die
entgegengesetzte Phase hat, kehrt sich die Polarität der an den Kondensatoren 440
und 441 entstehenden Spannungen um, so daß der Transistor 446 mehr Strom zieht,
während der Transistor 445 in Sperrichtung vorgespannt und durch die Läuferwicklung
451 ein Magnetfeld erzeugt wird, welches den Läufer 455 in die entgegengesetzte
Richtung bewegt. Die Phase des Fehlersignals hängt davon ab, ob das Eingangssignal
größer oder kleiner als das Rückkopplungssignal ist.
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Die Aufzeichnungsfeder wird in Übereinstimmung mit der Amplitude des
Rechteckwelleneingangssignals auf der Leitung 405 verstellt. Zwischen der Leitung
35 und dem Kollektor des Transistors 445 liegt eine Diode460. Eine weitere Diode
461 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 446 und der Leitung 35. Die Dioden
460 und 461 sind zur Unterdrückung von induktiven Übergangsschwingungen vorgesehen,
die in den Läuferwicklungen 450 und 451 auftreten und eine Zerstörung der Transistoren
445 und 446 zur Folge haben können.
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Die auf der Leitung 405 vorhandene Eingangsrechteckwelle wird also
durch die von dem Umformer 403 abgeleitete Rückkopplungsrechteckwelle abgeglichen,
so daß während des größten Teils der Betriebszeit des Registriergerätes 24, d. h.,
wenn die Aufzeichnungsfeder stillsteht oder sich nur langsam bewegt, nur ein sehr
kleiner Strom vom Netzteil 26 entnommen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
der Verstärker 400 eine wesentliche Verstärkung des Rechteckwellensignals liefert
und die Läuferwicklungen 450 und 451 vorzugsweise eine verhältnismäßig große Anzahl
von Windungen besitzen, so daß nur ein geringer, zur Ablenkung der Aufzeichnungsfeder
ausreichender Strom durch diese Wicklungen fließt.
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Nur wenn die Aufzeichnungsfeder eine sprunghafte Bewegung durchführt,
verbraucht das Registriergerät 24 einen merklichen Strom, der wiederum durch eine
im
Netzteil 26 vorgesehene Begrenzungseinrichtung begrenzt wird. In den meisten Fällen
bewegt sich die Aufzeichnungsfeder nur sehr langsam, wobei das Registriergerät24
auf Grund der sehr hohen Verstärkung des Rechteckwelleneingangssignals und des verwendeten
Nullabgleichsystems nur einen äußerst geringen Strom aus dem Netzteil 26 zieht.
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Nachfolgend wird der Netzteil 26 beschrieben, der einen Netztransformator
361 enthält, der mit normaler 110-V-Netzspannung gespeist wird und an dessen Sekundärwicklung
316 zur Folgegleichrichtung zwei Gleichrichter 362 und 363 angeschlossen sind, so
daß am Kondensator 364 eine Gleichspannung liegt.
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Zwischen dem Filterkondensator 364 und dem Ausgangsfilterkondensator
370 des Netzteils 26 liegt ein Regeltransistor 365. Der Kollektor des Transistors
365 ist mit der Seite des Kondensators 364 verbunden, die auch noch über einen Widerstand
371 mit der Basiselektrode des Transistors 365 in Verbindung steht. Der Emitter
des Transistors 365 ist mit der anderen Seite des Kondensators 370 verbunden. Ein
aus den Widerständen 374 und 375 bestehender Spannungsteiler liegt parallel zum
Kondensator 370. Zwischen der Basiselektrode des Transistors 365 und der die positive
gemeinsame Klemme des Netzteils 26 darstellenden anderen Seite des Kondensators
364 liegt ein Transistor 368. Der Kollektor des Transistors 368 ist mit der Basis
des Transistors 365 verbunden, und zwischen dem Emitter des Transistors 368 und
der gemeinsamen positiven Klemme liegt eine Zenerdiode 380. Die Basis des Transistors
378 ist mit der die Widerstände 374 und 375 verbindenden Leitung verbunden. Falls
sich die am Kondensator 370 auftretende Spannung zu ändern beginnt, ändert sich
auch der am Widerstand 375 auftretende Spannungsabfall, wodurch der Stromfluß durch
den Transistor 378 und auf diese Weise der Strom in dem in Reihe geschalteten Transistor
365 in der richtigen Richtung verändert wird, so daß die Spannung am Kondensator
370 konstant gehalten wird.
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Zur Begrenzung des über die Leitungen 35 und 36 entnehmbaren Stromes
auf einen Maximalwert von 200 Milliampere ist ein zwischen dem Kondensator 370 und
der Leitung 35 liegender kleiner Widerstand 381 und ein Transistor 382 vorgesehen,
dessen Basis-Emitter-Kreis parallel zum Widerstand 381 liegt. Der Transistor 382
ist normalerweise in Sperrichtung vorgespannt. Wenn jedoch der durch den Widerstand
381 fließende Strom einen Wert von 200 Milliampere erreicht, reicht die am Widerstand
381 vorhandene Spannung aus, um den Transistor 382 stromführend zu machen. Der Kollektor
dieses Transistors ist mit der die Basiselektrode des Transistors 365 und die Kollektorelektrode
des Transistors 378 verbindenden Leitung verbunden. Wenn daher der Transistor 382
Strom zieht, entsteht am Widerstand 371 ein Spannungsabfall, der ausreicht, um die
am Kondensator 370 liegende Spannung so zu verkleinern, daß eine Überschreitung
des maximalen Stromwertes von 200 Milliampere verhindert wird. Sobald der Kurzschluß
oder die Überlastung beseitigt ist, hört die Stromführung des Transistors 382 auf,
und die Stromregelungsschaltung arbeitet in der normalen Weise.
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Damit die Regeleinrichtung auch bei Ausfall des Stromnetzes weiterarbeitet,
ist eine Notstrombatterie 390 vorhanden, vorzugsweise eine Nickel-Kadmium-Zelle
mit kleinen Abmessungen. Die positive Klemme der Batterie 390 ist mit der gemeinsamen
positiven
Klemme verbunden. Die negative Klemme ist über einen Widerstand
391 mit der negativen Seite des Kondensators 364 verbunden. Die negative Seite der
Batterie 390 ist aber auch noch über eine Diode 392 mit der negativen Seite des
Kondensators 370 verbunden. Parallel zur Diode 392 liegt ein Widerstand 393.
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Falls die Batterie 390 nicht voll aufgeladen ist, wenn sie in den
Stromkreis eingesetzt wird, entsteht an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen
391 und 393 eine Spannung, die etwas negativer ist als die am Kondensator 370 vorhandene
Spannung, so daß die Batterie 390 verhältnismäßig schnell über den kleinen Widerstand
393 aufgeladen wird. Falls sich die Batteriespannung der Spannung am Kondensator
370 nähert, verschwindet der durch den Widerstand 393 fließende Strom, und es fließt
durch den Widerstand 391 ein Ladestrom, der ausreicht, um die Spannung der Batterie
390 auf einen Wert zu bringen, der etwas negativer als das Potential am Kondensator
370 ist. Falls die Spannung am Kondensator 370 auf Null absinkt, was beim Ausfall
der Stromzufuhr zum Netzteil26 der Fall ist, leitet die Diode392, so daß die Batteriespannung
am Kondensator 370 liegt und den Leitern 35 und 36 über den Widerstand 381 zugeführt
wird, so daß die Regeleinrichtung in normaler Weise weiterarbeiten kann. Da der
Stromverbrauch der verschiedenen Elemente der Anlage verhältnismäßig gering ist,
kann die Batterie 390 verhältnismäßig klein sein und doch die Anlage während eines
bis zu einer Stunde dauernden Stromausfalles mit Strom versorgen. Funktioniert die
Stromzufuhr wieder, dann erhöht sich die Spannung am Kondensator 370 etwas, so daß
die Diode 392 sperrt und die Batterie keinen Strom mehr abgeben kann. Die Batterie
390 wird jedoch mit Hilfe der oben beschriebenen Aufladeschaltung im geladenen Zustand
gehalten.