DE1513352C - Photoelektronische Regeleinrichtung mit Einstellautomatik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektronische Regeleinrichtung, bei der der Istwert der Regelgröße als Licht-Strahlungsfluß übertragen und gemessen wird, mit einem verstärkenden photoelektronischen Meßgerät verstellbarer Empfindlichkeit, das den Licht-Strahlungsfluß in eine elektrische Größe umformt, und mit einem über einen ersten Schalter kurzzeitig einschaltbaren geeichten Vergleichslicht zur Anpassung des photoelektronischen Meßgerätes an die spezifischen Strahlungseigenschaften der jeweiligen Licht-Strahlungsquelle durch Verstellung dessen Empfindlichkeit über ein Einstellglied. Photoelektronische Regeleinrichtungen dieser Art verwendet man z. B. bei der Regelung der Temperatur bei Glühvorgängen, der Regelung einer Blendenöffnung oder der Verschiebung eines Graukeiles im Wege eines veränderlichen Strahlungsflusses.

Solche Einrichtungen, bei denen das photoelektronische Regelungsgerät auf Grund des in sein photoelektrisches Empfangsorgan eintretenden Strahlungsflusses z. B. die Leistung eines Induktionserhitzers oder eines Ofens steuert oder einen Stellmotor oder einen Magnet betätigt, sind bekannt. Der gewünschte Strahlungsfluß, also etwa der Sollwert der Temperatur bei Glühungen wird durch entsprechende Einstellung der Empfindlichkeit des Regelungsgerätes gewählt (z. B. französische Patentschrift 1 044 649 sowie Prospekt T/60 der Firma Dr. Georg Maurer, 7442 Neuffen). Da die verschiedenen zu glühenden Materialien bei gleicher Temperatur verschiedene Strahlungsmengen abgeben, ist es zur eindeutigen Übertragung des Temperaturistwertes bzw. zur eindeutigen Sollwerteinstellung notwendig, vor dem Glühen eines bestimmten Materials die Regeleinrichtung den spezifischen Strahlungseigenschaften des Materials anzupassen. Die im Prospekt T/60 beschriebenen Geräte sind daher mit einer Vergleichslichteinrichtung versehen, die es erlaubt, einen wählbaren, genau definierten Strahlungsfluß dem photoelektrischen Bauelement zuzuleiten, um mit dessen und eines Anzeigeinstrumentes Hilfe von Hand die Eigenempfindlichkeit des Gerätes auf definierte Werte und damit auf eine bestimmte Größe des Strahlungsflusses, wie z. B. auf einen wählbaren Temperatur-Sollwert beim Regelungsvorgang einzustellen, der den spezifischen Strahlungseigenschaften des Materials angepaßt ist. Eine solche Einstell- und Kontrollmöglichkeit ermöglicht es auch, zeitliche Veränderungen der Empfindlichkeit des Regelungsgerätes wie auch Störlicht-, Temperatur- oder sonstige störende Einflüsse der Umwelt zu eliminieren.

Ist aber eine häufige Kontrolle wünschenswert oder eine wiederholte Umstellung des Gerätes auf andere Bedingungen, z. B. auf die verschiedensten Glühmaterialien, notwendig, so erfordert eine sorgfältige Empfindlichkeitseinstellung von Hand erhebliche Aufmerksamkeit, die vielfach unerwünscht ist und im Rahmen von Fertigungsprozessen untragbar sein kann.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Empfindlickeitseinstellung des Regelungsgerätes unter Ausschaltung von Bedienungspersonen, also selbsttätig vorzunehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe bei

einer photoelektronischen Regeleinrichtung der eingangs genannten Art besteht darin, daß für die Dauer der Anpassung des Meßgerätes ein Nachlaufregel-

. kreis, zur selbsttätigen Verstellung des Einstellgliedes, durch einen zweiten Schalter einschaltbar ist, dessen Eingangsgröße die Differenz zwischen geeichtem Vergleichslicht und dem Licht-Strahlungsfluß ist, die einem Verstärker mit unstetigem Relaisausgang mit zwei Umschaltkontakten zugeführt ist, dessen erster Umschaltkontakt das Stellglied der eigentlichen Regeleinrichtung steuert und dessen zweiter Umschaltkontakt die Drehrichtung des Stellmotors des Nachlaufregelkreises umkehrt, der das Einstellglied für die Empfindlichkeit des photoelektronischen Meßgerätes verstellt.

Muß im Rahmen der normalen Regelfunktion eine gleichzeitige Messung des Strahlungsflusses erfolgen und auch dessen Sollwert während der Regelung verändert werden können, so ist dies möglich, wenn der Verstärker für den Photostrom aus einem Vorverstärker besteht, in dessen Ausgang der Strahlungsfluß gemessen wird (photoelektronisches Meßgerät) und aus einem Nachverstärker, der als elektrischer Kraftverstärker die Steuerleistung für die Nachfolgeeinrichtungen liefert. Da für die Regelung beim Sollwert des Strahlungsflusses das Produkt Sollwert des Strahlungsflusses in den Lichtempfänger mal Empfindlichkeit der Photokathode mal Teilverstärkung des Vorverstärkers mal Teilverstärkung des Nachverstärkers eine konstante Größe ist, kann man während der normalen Regelung durch Veränderung der Teilverstärkung des Nachverstärkers bei konstanter Teilverstärkung des Vorverstärkers den Sollwert des Strahlungsflusses gegensinnig verändern und den Strahlungsfluß im Ausgang des Vorverstärkers messen. Auf diese Weise läßt sich die Regeleinrichtung auf verschiedene Sollwerte des Strahlungsflusses einstellen. Es genügt deshalb, für einen ganzen Meßbereich nur eine einzige geeichte Größe des Strahlungsflusses des Vergleichslichtes zu verwenden, die dem oberen Ende des Meßbereiches entspricht und dann durch Vergrößerung der Empfindlichkeit des Nachverstärkers den Sollwert des Strahlungsflusses auf die gewünschte Größe zu senken, die im Meßinstrument angezeigt wird.

Da hierbei die Teilverstärkung des Vorverstärkers konstant bleibt, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die selbsttätige Einstellung der Eigenempfindlichkeit des Gesamtverstärkers am Vorverstärker durchgeführt. Der Vorverstärker stellt sich dabei selbsttätig auf diejenige Teilverstärkung ein, die sich auf Grund der gewählten Teilverstärkung des Nachverstärkers und der gewählten Größe des Strahlungsflusses des Vergleichslichtes ergibt. Regelt man mit der erfindungsgemäßen Einstellautomatik den Verstärkungsgrad des Vorverstärkers und benutzt einige Schaltmittel, so ist es mit ihrer Hilfe sehr einfach, auch einige Parameter in den Regelungskreis einzuführen. Dies läßt sich besonders gut am Beispiel der Temperaturregelung mit Temperaturmessung erläutern. Der Strahlungsfluß des Glühgutes ändert sich hierbei zwischen 500° C und 2000° C z. B. in einem Spektralbereich bei 900 nm um etwa sechs Zehnerpotenzen, so daß diese Temperaturspanne bei linearem Vorverstärker in zahlreiche Meß- bzw. Regelungsbereiche aufgeteilt werden muß. Außerdem muß an jeder Stelle jedes Regelungsbereiches geregelt, sowie mit verschiedener Größe und Form von Meßblenden zur Auswahl geeigneter Beobachtungszonen gearbeitet werden können und weiterhin sollte eventuell das Emissionsvermögen des Glühgutes oder der Ausleuchtungsfaktor einer Spezialmeßblende oder

eine Lichtschwächung im Strahlengang eingegeben werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung der Steuerspannung für den Nachverstärker, die dessen Teilverstärkung bestimmt, eine Widerstandskombination verwendet, die aus einem festen Widerstand in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand besteht, wobei der letztere durch einen Schalter kurzschließbar ist.

Bei kurzgeschlossenem Widerstand stellt sich die Gesamtempfindlichkeit der Regelungseinrichtung durch die erfindungsgemäße Einstellautomatik selbsttätig auf denjenigen Wert ein, der sich aus der Größe des für den Endausschlag im gewählten Meßbereich benötigten Strahlungsflusses des hierfür geeichten Vergleichslichtes ergibt. Zur Einstellung eines innerhalb des gewählten Meßbereiches liegenden Sollwertes des Strahlungsflusses hat man dann lediglich während der Regelung den nicht kurzgeschlossenen veränderlichen Widerstand so einzustellen, daß am Meßinstrument der gewünschte Sollwert angezeigt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der feste Widerstand im Eingangskreis des Nachverstärkers mit einem einstellbaren Abgriff gewählt, derart daß er durch Schließen eines Schalters zwischen dem einen Widerstandsende und dem Abgriff einen wählbaren kleineren Wert annimmt.

Die Figur zeigt ein etwas vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel. 1 ist ein Photovervielfacher als photoelektronisches Bauelement, das einer als Meßgerät dienenden Photozelle mit linearem Verstärker entspricht. 2 ist seine Photokathode, 3 seine letzte Dynode, 4 seine Anode und 5 ein ohmscher Spannungsteiler. An dem Potentiometer 6 wird eine gegen Erde negative Spannung für die letzte Dynode 3 abgenommen. 7 ist ein veränderlicher Drehwiderstand zur Wahl der Betriebsspannung und damit der Empfindlichkeit des Photovervielfachers, indem mit seiner Hilfe die Gesamtspannung am Kondensator 8 veränderlich auf seinen Eigenwiderstand und den Spannungsteiler 5 aufgeteilt werden kann. 9 ist ein Widerstand mit veränderlichem Abgriff, 10 ein veränderlicher Widerstand und 11 ein Strommesser zur Anzeige des Stromes in der Zuleitung zur letzten Dynode des Photovervielfachers. Der veränderliche Widerstand 10 kann durch den Schalter 12 kurzgeschlossen, der Widerstand 9 durch den Schalter 13 in einen veränderlichen Widerstand verwandelt werden. Im Anodenstromkreis der Verstärkerröhre 15 liegt das Relais 16 mit zwei Umschaltern 17,18,19 und 20, 21, 22. Der erste dieser Umschalter steuert die Leistung des Erhitzers 23, indem er durch Öffnen des Kontaktes 17-18 oder Schließen des Kontaktes 17 bis 19 diese Leistung von einer höheren auf eine niedrigere Stufe umschaltet, wenn der Anker des Relais 16 angezogen wird. Dies ist der Fall, wenn der Strahlungsfluß des Glühgutes 24 durch den teildurchlässigen Spiegel 25, die Meßblende 26 und das Spektralfilter 27 zur Photokathode 2 eine solche Größe beim Hochheizen erreicht hat, daß das Produkt aus Strahlungsfluß mal Empfindlichkeit des Photovervielfachers mal Teilverstärkung des Nachverstärkers auf einen durch das Potentiometer 6 und die veränderlichen Widerstände 7 und 10 wählbaren Wert angestiegen ist.

Danach kühlt sich der Erhitzer in der niedrigeren Leistungsstufe ab, der Strahlungsfluß wird geringer, der Relaisanker fällt wieder ab und der Umschaltkontakt 17,18,19 schaltet auf die höhere Leistungsstufe um, worauf sich dieses Spiel der Zweipunktregelung wiederholt, die hier dargestellt ist.

Benutzt man nun statt des Glühgutes 24 die Vergleichslichtlampe 28 als Strahlungsquelle, die über einen Schalter 29 sowie einen einstellbaren Widerstand 30 an ihrer Stromversorgung 31 liegt und schaltet mit dem Umschalter 20, 21, 22 des Relais 16 durch Schließen des Schalters 14 einen Umkehrmotor

ίο 32 ein, der den Drehwiderstand 7 in der Weise betätigt, daß bei Kontaktschluß 20-21 der Drehwiderstand 7 kleiner und bei Kontaktschluß 20 bis 22 größer wird, so regelt sich die Empfindlichkeit des Photovervielfachers selbsttätig auf einen bestimmten solchen Wert ein, daß das Produkt Strahlungsfluß mal Empfindlichkeit des Photovervielfachers mal Verstärkung des Nachverstärkers gleich groß ist wie bei der oben erläuterten unstetigen Regelung des Erhitzers 23, falls an dem Potentiometer 6 und dem Widerstand 10 keine Veränderung vorgenommen wurde.

Der Vorgang dieser Zweipunkt-Nachlaufregelung der Empfindlichkeit des Photovervielfachers auf einen bestimmten Wert beruht darauf, daß bei Kontaktschluß 20-21 des Relais 16 der Widerstand 7 verringert, also die Empfindlichkeit des Photovervielfachers durch Erhöhung seiner Betriebsspannung ansteigt, bis der Anker des Relais 16 anzieht, dabei den Kontakt 20-21 öffnet und den Kontakt 20 bis 22 schließt, so daß der Motor 32 seine Drehrichtung umkehrt und die Empfindlichkeit des Photovervielfachers wieder absenkt. Diese Zweipunktregelung der Empfindlichkeit kann durch geeignete Maßnahmen in sehr engen Grenzen erfolgen, so daß bei Abschalten dieser Einstellautomatik nur unwesentliche Einstellungs-Streuungen verbleiben.

Wählt man nun den Strahlungsfluß der Vergleichslichtlampe 28 als Eichlicht in bestimmten Stufen so, daß diese Strahlungsflüsse in durch ein Lichtfilter eingeengtem Spektralbereich genau gleich groß sind wie die Strahlungsflüsse eines glühenden Körpers bei denjenigen »schwarzen« Temperaturen, die man als obere Grenze verschiedener Meß- bzw. Regelungsbereiche wählen möchte, so nimmt die erfindungsgemäße Einstellautomatik in wenigen Sekunden die selbsttätige Empfindlichkeitseinstellung auf den bzw. die Empfindlichkeitsnachstellung in dem durch Wahl der Eichlichtstufe benutzten Meß- und Regelungsbereich vor und zwar lediglich bei kurzem gemeinsamen Schließen der Schalter 12,14 und 29. Das Schließen des Schalters 29 schaltet das Eichlicht ein, das Schließen des Schalters 14 den Stellmotor 32, während das Schließen des Schalters 12 den Widerstand 10 kurzschließt, so daß stets die Empfindlichkeit des Photovervielfachers diejenige Größe annimmt, bei welcher der im Meßinstrument 11 angezeigte Strom am Widerstand 9 die notwendige Steuerspannung für die Verstärkerröhre 15 zum Schalten des Relais 16 erzeugt. Die Daten der zugehörigen Bauteile sind so gewählt, daß dieser Strom auf der Meßbereichskala des Strommessers 11 die Eichtemperatur für die obere Grenze des Regelungsbereiches anzeigt. Eine Korrekturmöglichkeit ist durch das Potentiometer 6 vorhanden.

Bei geschlossenem Schalter 12 regelt also die Ein-Stellautomatik die Empfindlichkeit des Photovervielfachers stets auf denjenigen Wert ein, der bei dem gewählten Eichlicht im Strommesser 11 die Endtemperatur des Regelungsbereiches anzeigt und bei

kurzgeschlossenem Widerstand 10 das Relais 16 auf den kritischen Ansprechwert bringt. Wünscht man bei einem tieferen Sollwert der Arbeitstemperatur zu regeln, so kann dieser nach Umschalten von der Einstellautomatik auf die Regelung des Erhitzers 23 durch Veränderung des Widerstandes 10 von dessen Minimalwert 0 bis zu dessen Maximalwert innerhalb des durch das Verhältnis der Widerstände 10 und 9 festgelegten Regelungsbereiches eingestellt werden. Dabei bleibt die Empfindlichkeit des Photovervielfachers konstant, während die Verstärkung des Nachverstärkers erhöht wird, so daß die Regelung bei einem kleineren Wert des Strahlungsflusses, also bei der tieferen Temperatur erfolgt und der geeichte Strommesser diese tiefere Arbeitstemperatur anzeigt.

Die Meßanzeige erfolgt zunächst in »schwarzer« Temperatur. Will man sie in »wahrer« Temperatur haben, so braucht man lediglich den Drehknopf des in Prozenten geeichten Widerstandes 9 auf den prozentualen Wert des Emissionsvermögens des Glühgutes einzustellen und die Einstellautomatik durch gemeinsames Schließen der Schalter 12, 13, 14 und 29 für einige Sekunden in Betrieb zu nehmen. Dabei ist der Widerstand 10 kurzgeschlossen, der Widerstand 9 nur mit dem Anteil seines Widerstandes eingeschaltet, der dem Zahlenwert des Emissionsvermögens entspricht, so daß also die Empfindlichkeit des Photovervielfachers auf das reziproke dieses Wertes erhöht wird. Nach Abschalten der Einstellautomatik regelt dann die Einrichtung bei demselben Zahlenwert der »wahren« Temperatur wie vorher der »schwarzen« Temperatur und zeigt am geeichten Meßinstrument diese »wahre« Temperatur an, weil das geringere Emissionsvermögen des natürlichen Körpers gegenüber dem »schwarzen« Körper durch die erhöhte Verstärkung des Vorverstärkers im Photovervielfacher kompensiert ist.

In analoger Weise können Veränderungen des Strahlungsflusses, die bei der Eichung der Einrichtung nicht berücksichtigt werden konnten, wie z. B. durch ein zusätzliches Schutzglas oder durch Dämpfe oder durch anderes über den Widerstand 9 der Einstellautomatik zu deren Eliminierung eingegeben werden, bei mehreren solcher Faktoren als deren Produkt.

Sollte die Anpassung zwischen Vorverstärker und Nach verstärker nicht gut sein, was sich bei mit offenem Schalter 13 eingeschalteter Einstellautomatik durch Abweichung der Meßanzeige vom Eichwert am Skalenende zeigt, so regelt die Einstellautomatik auch die am Potentiometer 6 vorzunehmende Korrektur ein.

Wünscht man den Sollwert der Regelungstemperatur des Glühgutes 24 nicht erst während des Glühens sondern schon vorher einzustellen, so braucht nur die Einstellautomatik über die Schalter 14 und 29 in Betrieb genommen und die Anzeige des Strommessers mit dem Widerstand 10 auf den Sollwert eingestellt zu werden. Hernach ist der Schalter 12 ebenfalls zu schließen, damit sich die Empfindlichkeit des Photovervielfachers wieder auf den Eichwert am Skalenende des Strommessers einregelt. Der Widerstand 10 darf dann so lange nicht mehr verändert werden, als man den Sollwert nicht ändern will.

Das gemeinsame Schließen und Öffnen verschiedener Schalter beim Wechseln zwischen den Funktionen Regeln, automatisches Justieren und Sollwerteingabe kann natürlich in einfacher Weise durch einen nicht gezeichneten Drehschalter mit drei Stellungen vorgenommen werden.

In der Figur ist eine unstetige Regelung vermittels des Relais 16 dargestellt, das gemeinsam für die Regelung und die Einstellautomatik verwendet ist. Es können auch zwei getrennte Relais gleicher Empfindlichkeit benutzt werden, wenn sie durch den Funktionsschalter mit umgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung kann ίο ebenso für stetige Regelungen eingerichtet sein, bei denen der Anodenstrom der Röhre 15 direkt oder über Widerstände in der Anodenleitung zur Steuerung der entsprechenden Nachfolgeeinrichtungen verwendet wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Photoelektronische Regeleinrichtung, bei der der Istwert der Regelgröße als Licht-Strahlungsfluß übertragen und gemessen wird, mit einem verstärkenden photoelektronischen Meßgerät verstellbarer Empfindlichkeit, das den Licht-Strahlungsfluß in eine elektrische Größe umformt, und mit einem über einen ersten Schalter kurzzeitig einschaltbaren geeichten Vergleichslicht zur Anpassung des photoelektronischen Meßgerätes an die spezifischen Strahlungseigenschaften der jeweiligen Licht-Strahlungsquelle durch Verstellung dessen Empfindlichkeit über ein Einstellglied, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dauer der Anpassung des Meßgerätes (1) ein Nachlaufregelkreis, zur selbsttätigen Verstellung des Einstellgliedes (7), durch einen zweiten Schalter (14) einschaltbar ist, dessen Eingangsgröße die Differenz zwischen geeichtem Vergleichslicht (28) und dem Licht-Strahlungsfluß ist, die einem Verstärker (1,15) mit unstetigem Relaisausgang (16) mit zwei Umschaltkontakten zugeführt ist, dessen erster Umschaltkontakt (17,18,19) das Stellglied der eigentlichen Regeleinrichtung steuert und dessen zweiter Umschaltkontakt (20, 21, 22) die Drehrichtung des Stellmotors (32) des Nachlauf regelkreises umkehrt, der das Einstellglied (7) füi die Empfindlichkeit des photoelektronischen Meßgerätes (1) verstellt.

2. Photoelektronische Regeleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Verstärkung des licht elektrisch ausgelösten Photostromes in einem Vor verstärker und einem Nachverstärker erfolgt, wo bei das photoelektronische Meßgerät als Vorverstärker dient und als Nachverstärker ein unsteti ger elektrischer Kraftverstärker vorgesehen isl dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellglied fü die selbsttätige Verstellung der Empfindlichkei des Gesamtverstärkers mit dem Eingang des Vor Verstärkers verbunden ist.

3. Photoelektronische Regeleinrichtung nac, Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß di Steuerspannung für den Nach verstärker an eine Widerstandskombination abgreifbar ist, die au einem festen Widerstand (9) in Reihe mit einer veränderlichen Widerstand (10) besteht, der durc einen Schalter (12) kurzschließbar ist.

4. Photoelektronische Regeleinrichtung nac Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß de feste Widerstand (9) im Eingangskreis des Nacl·

Verstärkers einen einstellbaren Abgriff besitzt, derart, daß er durch Schließen eines Schalters (13) zwischen dem einen Widerstandsende und dem Abgriff einen wählbaren kleineren Wert annimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen