DE2609479C2

DE2609479C2 - Experimental- und Demonstrationsgerät

Info

Publication number: DE2609479C2
Application number: DE19762609479
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 2848 Vechta Bartels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-08
Filing date: 1976-03-08
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE2609479A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Experimental- und Demonstrationsgerät zur Darstellung von Funktionen eines

ίο Regelkreises mit zumindest einem offenen, teilweise wassergefüllten Behälter mit einem Wasserzulauf und einem Wasserablauf, wobei der Wasserzulauf von oben In den Behälter erfolgt und in zumindest einer querschnittsveränderbaren Zulauföffnung entsprechend der Stellung eines Im Behälter angeordneten Schwimmers drosselbar Ist und wobei der Wasserablauf durch eine unterhalb des Wasserspiegels im Behälter liegende Ablauföffnung erfolgt.

Geräte vorstehender Art sind verschiedentlich in Grundlagenlehrbüchern der Regelungstechnik als Beispiel for eine einfachen, anschaulichen Regelkreis skizziert. Diese Skizzen sind jedoch zur Ausführung weder bestimmt noch geeignet, da sie sich auf grundlegende Wlrkungszy.sammenhänge beschränken und in Ausf'ührung mit herkömmlichen Bauelementen ein nichtlineares, für Experimental- und Demonstrationszwecke ungeeignetes Regelsystem ergeben würden. Derartige Schwierigkeiten sind offenbar der Grund dafür, daß derzeit Experimental- und Demonstrationsgeräte zur Darstellung von Funktionen eines Regelkreises durchweg mit elektronischen Elementen - etwa nach Art von Analogrechnern - aufgebaut werden, bei denen die Signale des Regelkreises jedoch nicht unmittelbar, sondern nur mittels zusätzlicher und vielfach aufwendiger Anzeigegeräte beobachtbar sind.

Die Erfindung sieht demgegenüber ein Experimental- und Demonstrationsgerät der eingangs genannten Art vor, das sich dadurch auszeichnet, daß der Querschnitt der Zulauföffnung in linearer Abhängigkeit von der Stellung des Schwimmers änderbar ist. Diese lineare Abhängigkeit bewirkt in einfacher Weise eine für Experimental- und Demonstrationszwecke hinreichende Übereinstimmung zwischen dem Durchfluß durch .die Zulauföffnung und dessen durch den Schwimmer gesteuerter Verstellung. Besonders vorteilhaft Ist daher die veränderbare Zulauföffnung einem ständig Im Überlauf betriebenen, offenen Zulautbehälter zugeordnet, um Im Zulautbehälter einen konstanten Wasserstand zu erzeugen und damit dessen Einfluß auf den Durchfluß In der Zulauföffnung zu ellminieren.

Die Erfindung ermöglicht nicht nur ein beispielsweise für den Unterricht an Lehranstalten überaus preiswertes und leicht zu handhabendes Experimental- und Demonstrationsgerät, sondern erreicht darüber hinaus für Lehr- und Versuchszwecke den besonderen Vorteil, daß die Bewegungsabläufe ohne weitere Hilfsmittel anschaulich beobachtbar sind. Die In dem erfindungsgemäßen Gerät auftretenden Zeitkonstanten der Signale im Regelkreis können leicht In einer Größenordnung vorgegeben werden, die zur Anschauung geeignet Ist und die gegebenenfalls ein Eingreifen oder Mitwirken von Hand erlauben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung, In der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert ist; In der Zeichnung zeigt:
Flg. 1 eine schematisierte, schnittbildliche Gesam»-

darstellung eines Geräts gemäß der Erfindung mit Zwischenbehältern,

Fig. 2 eine schnittbildliche Seitenansicht eines abgewandelten Zwischenbehälters,

Fig. 3 eine schnittbildliche Seitenansicht einer Ausführung eines Zwischenbehälters als Rinrenbehälter.

Das Experimental- und Demonstrationsgerät gemäß Fig. ] weist einen offenen, teilweise wassergefüllten Behälter 1, einen offenen Zulautbehälter 2 und zwei Zwischenbehälter 3 und 4 auf, die gleichfalls oben offen sind. Die Behälter *, 2, 3 und 4 weisen jeweils eine im unteren Bereich liegende Ablauföffnung 5, 6, 7 bzw. 8 auf. Die Öffnung 5 für den Ablauf des Behälters 1 ist mit einem einstellbaren Ventil ausgestattet. Die Zulauföffnung des Behälters 1 wird von der Öffnung 6 des Behälters 2 gebildet, die einen rechteckigen Querschnitt in einem durchsichtigen Gehäuse aufweist und mit einem rechteckigen, vertikal bewegbaren Schieber 10 veränderbar ist. Die Öffnungen 7 und 8 der Zwischenbehälter 3 und 4 besitzen einen unveränderlichen Querschnitt.

Der Schieber 10 ist über eine senkrechte Schieberstange 11 und eine senkrechte Schwimmerstange 12 unter Zwischenschaltung eines um eine horizontale Mittellage schwenkbaren, zweiarmigen Hebels 13 mit einem Schwimmer 14 im Behälter 1 verbunden. Den Drehpunkt des Hebels 13 bildet eine horizontale, von einer senkrechten Stütze 15 getragene Achse 16, die den Hebel 13 in einem Längsschlitz 17 durchgreift. Die Stütze 15 ist an einem horizontal in mit dem Hebel 13 gemeinsamer senkrechter Ebene von dem Behälter 2 abstehenden Tragarm 18 befestigt, wobei eine mit der Stütze 15 verbundene Feststellschraube 19 den Tragarm 18 in einem Längsschlitz 20 durchgreift. Die Stütze 15 läßt sich somit in horizontaler Richtung verstellen, um die Hebelarme des Hebels 13 gegensinnig zu verändern, ohne daß dabei die horizontale Zuordnung zwischen Hebel 13 und Tragarm 18 und damit die Anlenkpunkte von Schieberarm Il und Schwimmerarm 12 verlagert werden. Als Einstellungshilfe kann eine nicht dargestellte Skala am Tragarm 18 oder am Hebel 13 dienen.

Zur Vertikalführung des Schiebers 10 ist die Schiebestange 11 in einer behälterfesten Führung 21 längsverschieblich gelagert und in einem endseitigen Längsschlitz 22 am Hebel 13 angelenkt, der einen Ausgleich zwischen der rotatorischen Bewegung des Hebels 13 und der translatorischen Bewegung der Schieberstange 11 herbeiführt.

Das andere Ende des Hebels 13 trägt ein drehbar angelenktes Klemmstück 23 zur Verbindung mit der Schwimmerstange 12, mit dem der Hebel 13 gegenüber dem Schwimmer 14 einstellbar ist. Die Schwimmerstange 12 ist weiter unten nochmals in einer Gleitbuchse 24 seitlich geführt.

Der Zulautbehälter 2 wird durch einen Anschluß 25 gespeist und ist ständig bis zu einem Überlaui'rand 26 gefüllt, über den das durch den Anschluß 25 eingespeiste und nicht durch die Öffnung 6 ablaufende Wasser abfließt.

Die vorstehend beschriebenen Elemente des Geräts wirken nun in der Weise zusammen, daß der Schwimmer 14 eine dem Wasserstand im Behälter 1 entsprechende ^f Höhenlage einnimmt und diese Höhenlage mittels der Schwlmmerstange 12 auf den Hebel 13 überträgt. Dieser verschiebt ilen Schieber 10. Währenddessen Hießt ständig von der Zulauföffnung 6 Wasser - nach Durchlaut durch die Zwischenbehälter 3 und 4 - in den Behälter 1 ' ein und durch die Ablauföffnung 5 ab. Die Menge des ablautenden Wassers wird durch die Einstellung des Ventils 9 bestimmt, die zulaufende Wassermenge ergibt sich aus der Stellung des Schiebers 10.

Das System ist in Ruhe, wenn durch die Zulauföffnung 6 gleichbleibend eine mit der durch die Ablauföffnung 5 übereinstimmende Wassermenge zuläuft. Hierzu nehmen der Schieber 10 und der mit ihm gekoppelte Schwimmer 14 eine bestimmte Ruhelage ein, der eine Ruhelage des Wasserspiegels im Behälter 1 entspricht. Liegt der Wasserspiegel unterhalb der Ruhelage, dann ist auch der Schwimmer abgesenkt und hat den Schieber 10 angehoben, so daß mehr Wasser zuläuft als abtließt, um wieder die Ruhelage zu erreichen.

Betrachtet man das vorstehend beschriebene Gerät unter regelungstechnischen Gesichtspunkten, dann stellt der Behälter 1 eine integral wirkende Regelstrecke mit dem Wasserstand als Regelgröße dar, wobei die Regelgröße proportional zu der ein Stellglied bildenden Zulauföffnung 6 zurückgeführt wird und wobei die Veränderung des Ablaufs durch die Ablauföffnung 5 mittels des Ventils 9 eine einstellbare Störgröße bildet. Der Sollwert des Wasserstands läßt sich am Klemmstück 23 und die Verstärkung im Regelkreis durch Versteflung der Stütze 15 einstellen.

Für eine auswertbare Beobachtung des Regelkreises Ist die Linearität der Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Regelkreisgrößen wichtig. Eine lineare Abhängigkeit des Durchflusses durch die Zulauföffnung 6 von der Schwimmerstellung ist dadurch gegeben, daß der Behälter 2 einen durch den Überlaufrand 26 bestimmten, konstanten Wasserstand und damit konstanten Wasserdruck an der Zulauföffnung 6 besitzt und daß die Zulauföffnung 6 linear in Abhängigkeit von der Stellung des Schiebers - und, bei linearer Übertragung zwischen Schwimmer und Schieber, linear in der Abhängigkeit von der Stellung des Schwimmers - änderbar ist.

Ein einfacher Regelkreis Ist bereits mit dem Behälter 1 und dem Zulaufbehälter 2 einschließlich Schwimmer 14, Schieber 10 und deren Übertragungsmitteln autbaubar. Die Zwischenbehälter 3 und 4 gestalten den Regelkreis zu einem System höherer Ordnung aus; jeder von ihnen gibt nämlich ein Verzögerungsglied erster Ordnung wieder. Dieses gilt jedenfalls näherungsweise bei einem Zwischenbehälter gemäß der Zeichnung, der z. B. eine über die gesamte Höhe gleichbleibende, horizontale Querschnittsfläche A, einen Öffnungsquerschnitt α der Öffnung 7 bzw. 8 und einen variablen Wasserstand der Höhe /; aufweisen soll. Bei einem zufließenden Wasserstrom der Größe I,(t) und einem abfließenden Wasserstrom der Größe I₂(D ergibt sich zunächst

A^=I₁(I)-I₂(I).

Mit der Einführung der Erdbeschleunigung g folgt für den abfließenden Strom

Hieraus folgt die Übertragungsfunktion eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung

T · I₂(O = I,(t) - I₂(I).
Wenn man

T AI

ga-

setzt, wobei I; der Mittelwert von Mt) im jeweiligen Arbeitsbereich sein soll. Für geringere Änderungen der

Wasserstandshöhe und damit des abfließenden Wasserstroms ergeben sich jeweils nur geringe Verfälschungen gegenüber einer linearen Gleichung. Ersichtlich können die Abmessungen des Gefäßes und der Öffnung 7 bzw. 8 zur Festlegung der Zeitkonstante T herangezogen werden.

In Fig. 2 ist ein in der Form von dem Zwischenbehälter 3 bzw. 4 abweichender Zwischenbehälter 27 dargestellt, dessen Querschnitt sich nach oben hin verjüngt, so daß die Abhängigkeit der Zeitkonstante vom abfließenden Wasserstrom und damit von der Höhe des Wasserstands zumindest zu einem wesentlichen Teil aufgehoben ist und ein den Linearitätsansprüchen besser entsprechendes Regelkreisglied erhalten wird.

In Fig. 3 ist ein weiteres elementares Regelkreisglied, nämlich ein Totzeitglied, dargestellt. Dieses wird durch einen als Rinnenbehäiter 28 ausgebildeten Zwischenbehälter verwirklicht, in dem gegenüber der Horizontalen leicht geneigte Zwischenböden 29 zickzackförmig hin und hergehend angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende eine der Seitenwände 30 bzw. 31 anstoßen, an ihrem unteren Ende im Abstand von der jeweiligen Seitenwand enden. Hiermit ist eine Wasserrinne in gedrängter Bauweise gebildet, bei der der ausfließende Wasserstrom um eine konstruktionsbedingte Totzeit verzögert gegenüber dem einfließenden Wasserstrom auftritt.

Das vorstehend beschriebene Experimental- und Demonstrationsgerät wird vorzugsweise mit durchsichtigen oder durchscheinenden Wänden der Behälter ausgeführt, um die Wasserstände von der Seite her beobachtbar zu machen. Mit besonderen Vorteilen für die Messung und Beobachtung sind an einer durchsichtigen oder durchscheinenden Wand der Behälter 1, 3 und 4 Skalen 32, 33 bzw. 34 zum Ablesen der Wasserstände angebracht.

Eine weitere feststehende Skala 35 am Behälter 2 ermöglicht die Ablesung der Stellung des Schiebers 10. dessen Schieberstange 11 im Bereich der Skala 35 einen Zeiger 36 trägt. Zur wahlweisen Festlegung des Schiebers dient noch eine Klemmschraube 37, die in die Führung 21 hineinschraubbar ist.

Bedarfsweise können die Behälter mit besonderen Einrichtungen für eine ruhige Einleitung des zulaufenden Wassers ausgestattet sein, um Ungleichmäßigkeiten Im Auslauf wie auch im beobachteten Wasserstand zu unterdrücken. Beispielsweise weist der Zulaufbehälter 2 im Bereich des Anschlusses 25 ein Leitblech 38 auf, um die ZuIauf'öiTnung 6 von aus dem Anschluß 25 herrührenden Strömungseinflüssen abzuschirmen.

Das Gerät weist mit Vorteil für die Stabilität und Handhabbarkeit einen für die Aufnahme der Behälter ausgebildeten Tragrahmen 39 auf, an dem auch die für die Zu- und Ableitung von Wasser vorzusehenden Anschlüsse anbringbar sind.

Das Gerät ist fast beliebig dadurch ausgestaltbar, daß dem Behälter weitere Zwischen- oder Rinnenbehälter vor- oder nachgeordnet werden, daß zwischen einem Behälter und seinem Zulauf ein weiterer, entsprechend geregelter Behälter als unterlagerter Regelkreis eingesetzt wird oder daß die Regelung nebeneinander angeordneter Behälter mit eigenem Zulauf durch Koppelhebel zwischen den Hebeln oder Stangen verkoppelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Experimental- und Demonstrationsgerät zur Darstellung von Funktionen eines Regelkreises mit zumindest einem offenen, teilweise wassergefüllten Behälter mit einem Wasserzulauf und einem Wasserablauf, wobei der Wasserzulauf von oben in den Behälter erfolgt und in zumindest einer querschnittsveränderbaren Zulauföffnung entsprechend der Stellung eines im Behälter angeordneten Schwimmers drosselbar ist und wobei der Wasserablauf durch eine unterhalb des Wasserspiegels im Behälter liegende Ablauföffnung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Zulauföffnung (6) in linearer Abhängigkeit von der Stellung des Schwimmers (14) änderbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Zulauföffnung (6) einem ständig im Oberlauf betriebenen, offenen Zuiaufbehälter (2) zugeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der veränderbaren Zulauföffnung (6) einen rechteckigen, mit einem Rechteckschieber (10) veränderbaren Querschnitt aufweist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulautbehälter (2) mit der veränderbaren Zulauföffnung (6) ein Gehäuse aus durchsichtigem Material aufweist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) einen gleichbleibenden horizontalen Querschnitt aufweist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) zumindest eine durchsichtige Seitenwand besitzt.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Seitenwand mit einer Wasserstandsskala versehen Ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Rechteckschiebers (10) der veränderbaren Zulauföffnung (6) über ein Hebelgestänge (11, 12, 13) mit einstellbaren Hebelarmen erfolgt, wobei die Einstellung an Einstellskalen an den Hebelarmen ablesbar ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf (5) des Behälters (1) ein einstellbares Drosselventil (9) aufweist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens einen offenen, von oben gespeisten und mit einer Ablauföffnung (7, 8) unterhalb seines Wasserspiegels versehenen Zwischenbehälter (3, 4).

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenbehälter (27) einen sich nach oben verjüngenden horizontalen Querschnitt aufweist.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenbehälter (3, 4) Im Zulauf des Behälters (1) zwischen der drosselbaren Zulauiöffnung (6) und dem Behälter (1) angeordnet ist/

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Rinnenbehälter (28) mit einer in untereinanderliegenden, wechselnd gerichteten Abschnitten (29) mit geringem Gefälle ausgeführten Rinne.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zwischenbehälter (3, 4, 27, 28) wenigstens eine durchsichtige Seitenwand mit Wasserstandsskala (33, 34) aufweist.