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Verfahren der Temperatur-Regelung auf elektronischer Basis sowie
Steuerungsvorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens (Zusatz zum Patent Nr. .......)
(Patentanmeldung P 25 o3 183.8-34) Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
der Temperatur-Regelung auf elektronischer Basis, für Heizungsanlagen, zB. Wärmeerzeuger,
Boiler od.dgl., sowie eine Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens, und in Verbindung
damit Besonderheiten bezüglich der vorgeschriebenen Sicherheits-Temperaturbegrenzung,
bei
dem gemäß Patent Nr. ....... (Patentanmeldung Aktenzeichen
P 23 o3 183.8-34) außer der absoluten Temperatur die Aufheizgeschwindigkeit des
Iiediums berücksichtigt wird, und in Verbindung hiermit eine Steuerungsvorrichtung
zur Ausübung dieses Verfahrens.
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Das Hauptpatent hat im wesentlichen den Grundgedanken der Erfindung
zum Gegenstand, das sogenannte Überschwingen bei Anlagen mit Wärmezuführung und
-ableitung, zBO Heizungsanlagen, Flüssigkeits-Wärmeaustauschern usw., infolge der
Nachwirkung der inneren Wärmekapazität der Anlage, insbesondere bei unterschiedlicher
oder schwankender Wärmelast zu vermeiden oder wenigstens zu vermindern. Die Aufheizgeschwindigkeit
ist dabei - als ein immer auftretender Teil des Regelungsvorgangs - qmabhängig davon,
von weleinem Absolutwert aus die Aufileizung erfolgt, sie tritt also auch bei Kühlanlagen
oder -einrichtungen auf, deren itegelsollwert meist unter oo C liegt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterbildung des Gegenstands
des Hauptpatents (bzw0 der Patentanmeldung P 23 o3 183.8-34) unter besonderer Berücksichtigung
weiterer Anwendungsgebiete, zu denen außer der Raumheizung auch die Raumkühlung
und in kombinierter Form die Klimatechnik gehören, bei denen das erfindungsgemäße
Verfahren in einer zweckmäßig angepaßten Form auch auf die Abkühlungsvorgänge angewandt
und somit im allgemeinsten Sinne auf beliebige Fälle der Temperatur-Regelung ausgedehnt
wird. Zu diesen gehört auch die Temperatur-Regelung bei der Heizung (bzw. Kühlung)
von Flüssigkeiten jeglicner Art, wie bei Schwimmbädern, technischen Bädern, z.B.
Galvanobädern, sowie bei Brauchwasserheizung,oder eine entsprechende
anderweitige
Verwendung der Erwärmung(bzw.
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Kühlung) von Flüssigkeiten.
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Zwecks besserer Erläuterung der weiter unten beschriebenen Besonderheiten
der Erfindung wird zunächst auf die grundsätzlichen Zusammenhänge bei Verfahren
der Temperatur-Regelung zurückgegriffen. In dem hierzu gehörenden Teil der Zeichnung
sind in Fig. 1: ein Blockschaltbild für einen Wärmekreis mit Medium, Wärmezuleitung
und -ableitung Fig. 2: ein elektrisches Analog-Schaltbild für den Wärmekreis der
Fig. 1 Fig0 3: ein Blockschaltbild für eine Regelung mit kombinierter Steuerung
Fig. 4: 'Diagrsnme für das Ansprechverhalten eines Zweipunktreglers Fig05: Äusgleichskurven
für eine Regelstrecke höherer Ordnung Fig.6: Ausgleichskurven bei unterschiedlicher
Heizlast a) 50%, b) 90% u. c) 15% teilweise schematisch dargestelltO In allen hier
in Rede stehenden Fällen handelt es sich stets darum, daß ein Medium bestimmter
Menge durch Zuführung einer gewissen Wärmemenge aufgeheizt und durch Ableitung einer
gegebenenfalls anderen Wärmemenge abgekühlt wird und sich dabei die Temperatur des
Mediums erhöht oder erniedrigt, je nachdem, ob die zugeführte Wärmemenge größer
oder kleiner ist als die abgeleitete (vgl.Fig.1).
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In elektrischer Analogie kann das vorbeschriebene System eines Mediums
mit Wärme zuleitung und -ableitung als eine RC-Kette aufgefaßt werden, an deren
Eingang eine Spannungs- bzw. Stromquelle Q liegt, die über einen variablen Widerstand
rO eine Innen-Eapazität C0 auflädt, die ihrerseits je nach Stellung des einstellbaren
(geregelten) Widerstandes r die Kapazität C des Mediums auf mehr oder weniger höhe
Spannung auflädt, je nachdem, ob durch den Verbraucher mit dem variablen Widerstand
R mehr oder weniger Strom entzogen wird; statt des einstellbaren Widerstandes r
oder in Verbindung mit ihm kann auch ein einstellbarer Parallelwiderstand Rz die
Regelung der Spannung am Kondensator mit der Kapazität C übernehmen. Die Regelgröße
X ist hier die Spannung am Kondensator C. Darüberhinaus kann durch die xeitgröße
W eine Voraus steuerung der Widerstände rO und/oder Rz, wie in Fig02 angedeutet,
vorliegen.
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Sowohl die Wärmezuleitung als auch die Wärmeableitung kann direkt
erfolgen, indem eine Heizung mit variabler Wärmeabgabe bzw. Temperatur bzw. variabler
Kühlung, zB. durch Verdampfung, also variablem Wärmeverbrauch stetig geändert oder
in konstanter Größe intermittierend auf das Medium einwirkt. Statt dieser direkten
Einwirkung kann die Temperatur-Änderung gewollt oder ungewollt durch variable Zumischung
eines anderen gasförmigen, flüssigen oder festen Wärmeträgers, z.B. Luft oder Wasser,
zustandekommen. Bei Gegenstrom-Apparaten oder Boilern zB. kann die Aufheizung durch
Wärme zuleitung von einem Heizungsgerät oder einer Flüssigkeitsmenge höherer Temperatur
erfolgen, und die Abkühlung durch Brauchwasser-Entnahme. Schließlich wäre ergänzend
noch die Temperatur-Beeinflussung bei
Sonneneinstralung durch variable
Winkeleinstellung von Jalousien zu nennen. Diese Aufzählung, die nur eine Auswahl
ähnlicher oder analoger Einrichtungen und Verfahren darstellen kann, läßt sich,
wie man ohne weiteres erkennt, in beliebiger Weise fortsetzen.
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Sinrichtungen zur Regelung der Temperatur gehören zu der Klasse der
Regelkreise, die in einfachster Form aus einer Regelstrecke, die durch eine Stell-oder
Steuergröße gesteuert wird, und einer Xegeleinrichtung, die einen Fühler und mindestens
einen Vergleicher, meist mit einem Verstärker, enthält und die Stellgröße abgibt;
am Eingang der Regeleinrichtung liegt die Regelgröße. In einer kombinierten Anordnung
kann der Fühler noch usätzlich von einer Störgröße, zB. durch einen Außenfühler
bei der Raumheizung, in der Art einer Leitgröße gesteuert sein; vgl.Sig.3.
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Die Regler-Arten unterscheiden sich sowohl durch ihr Ansprechverhalten,
als auch durch ihr Zeitverhalten, und zwar sowohl hinsichtlich ihrer prinzipiellen
Funktion als Proportional-Stegler, als Differential-Regler, Integral-Regler und
daraus gemischten Formen als auch hinsichtlich gewisser Funktionsgrenzen, zB. einer
scheinbaren oder echten Totzeit. Das Ansprechverhalten ist bei einem Zweipunkt-Regler
dadurch bestimmt, daß der eine Betriebszustand der Strecke durch Erreichen eines
ersten Ansprechwerts-- und der anherde durch einen zweiten Ansprechwert der Regelgröße
ausgelöst wird. Der Mehrpunktregler hat in entspre--chender Weise mehr als zwei
Betriebszustände mit einer gleichen Zahl von unterschiedlichen Ansprechwerten.
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Ist die Auslösung des Betriebszustandes- auch von der Richtung der
Änderung der Regelgröße abhängig, dann wird die Differenz der Ansprechwerte als
Hysteresis
bezeichnet; in der einen Richtung liegt also ein grösserer
Ansprechwert vor als in der anderen (vgl. Fig.4a für Heizungsanlagen) oder auch
ein niedrigerer (Fig.4c für Kühlanglagen), in einem anderen Fall wird der Betriebszustand
nur teilweise gewandert (Fig.4b). Die in den Fig. 4a bis 4c verwendeten Bezeichnungen
bedeuten: X Regelgröße, zB. itaumtemperatur Jrb bezogener Ventilstand Xd Schaltdifferenz
Xs der Sollwert (Mittelwert zwischen Xd) Im allgemeinen liegt zB. mit einem Kessel
4', dem Heizkörper 5', der Umwälzpumpe 6', dem Ölbrenner-Steuergerät 7' und dem
Raumfühler 8' gemäß dem in Fig.5 eingezeichneten Blockschaltbild eine Regelstrecke
höherer Ordnung vor, die, wie Fig.5 ebenfalls zeigt, nicht ein einfaches Ausgleichsverhalten
(1l) besitzt, sondern einem die Totzeit Tt - wegen des Einschwingverhaltens scheinbar
und möglicherweise zusätzlich echt wegen eines Verzögerungsgliedes - zeitlich gegenüber
dem Beginn der Stellgröße y1 verzögerter Ausgleichskurve (2'), die an der ersten
Schnittstelle a mit dem höheren Ansprechwert eine Ausschaltung durch das Ende der
Stellgröße y2 und dann beim Unterschreiten des unteren Ansprechwerts b eine Wiedereinschaltung
gemäß dem Verlauf (3') des Istwerts mit kompletter Regelung herbeiführt. Vor, zwischen
und hinter den Punkten a und b mit der Schaltdifferenz Xd zwischen ihnen liegen
Ausgleichskurven-Äste, die außerhalb der Ubergangszonen den Kurven unterschiedlicher
Zeitkonstanten bei Aufheizung TB und Abkühlung T se entsprechen.
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Daraus ergibt sich ein Überschwingen bzw.
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ein Unterschwingen der Summen-Ausgleichskurve, mit dem Verlauf (3')
des Istwerts, mit gelegentlich recht störenden Abweichungen XO (oben), Xu (unten)
vom Sollwert X5 der Regelgröße. Dieses berschwingen läßt sich gut anhand des elektrischen
Analogie-Schaltbildes der Fig.2 verstehen, wobei lediglich zu beachten ist, daß
die Innenkapazität Co im Ausschaltzeitpunkt auf eine höhere Spannung aufgeladen
ist als die Kapazität C des Mediums und diese auch nach dem Ausschalten noch ansteigen
läßt; ähnliches gilt für den anderen Fall im Entladungsbereich, in dem die Aufladung
noch nicht gleich zur Wirkung kommt. In genau entsprechender Weise wirkt sich zB.
bei der Raumheizung die Niachheizwärme des Kesselinhalts und/oder das Aufheizdefizit
des Mediums aus.
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Von den vielen bekannten Reglergeräten für Vorrichtungen, die zu
der Ausübung von Verfahren der Temperatur-Regelung erforderlich bzw. geeignet sind,
eB.
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für Heizungsanlagen, und zwar sowohl für Wärme erzeuger als auch für
Boiler, dh. Brauchwasser-Erhitzer, usw, sind charakteristische Beispiele bereits
in der Beschreibungseinleitung des Hauptpatents (Patentanmeldung~P 25 o3 183.8-34)
aufgeführt. Zusätzlich wäre hinsichtlich der Bi-Metall-Regler, die auch als rein
mechanische Stellglieder bekannt sind, zu erwähnen, daß gelegentlich ein besserer
Kontakt dadurch herbeigeführt wird, daß die Kontaktfeder-Anordnung mit Hilfe eines
Permanentmagneten und einer besonderen Federcharakteristik als ein Sprungkontakt
ausgebildet ist; dadurch wird allerdings die Totzeit noch zusätzlich vergrößert.
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Es ist auch bekannt, die Schaltfrequenz zu erhöhen, dh. den Abstand
der Ansprechwerte durch thermaische
Rückführung zu verringern,
indem das B Ietall-Element gleichzeitig mit der Einschaltung des Wärmeerzeugers
elektrisch beheizt und somit bei einer weniger höheren Temperatur des Mediums zum
Ansprechen gebracht wird; diese Maßnahme löst jedoch das Problem, wie man bei genauerer
Prdfung dieses Vorschlags feststellt, ebenfalls nicht grundsätzlich. Schließlich
ist es in manchen Fällen von Temperatur-iegelung notwendig, mehrere Fühler an verschiedenen
Stellen der Regelstrekke einzusetzen (Mehrfühler-System); dabei sind dann die obenbeschriebenen
Probleme vervielfacht vorhanden.
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In Fig.6 sind drei Fälle von unterschiedlichem Ausgleichsverhalten
dargestellt, welche die Auswirkung der Totzeit bei unterschiedlichen mastzuständen,
dh. größerer und kleinerer Aufheizgeschwindigkeit bzw. Abkühlungsgeschwindigkeit
wiedergibt. Die Bezeichnungen bedeuten: t Zeit Tt Totzeit T5, Tse Zeitkonstanten
der I, II ursprünglichen Ausgleichskurven für Zu- bzw. Abfuhr X Regelgröße Xd Schaltdifferenz
Xm1' Xm2, Xm3 mittlerer Istwert c Anfangswert d oberer Ansprechwert e unterer Ansprechwert
A1, A2 ... A6 Schwingungsamplituden (Maximalwert der Differenz zwischen den Regelgrößen)
Man erkennt aus Fig. 6, daß die Überschwing-Amplitude und entsprechend die Unterschwing-Amplitude
bei ungleicher Zeitkonstante infolge der Totzeit noch mehr
zunimmt
als bei gleicher Zeitkonstante der Ausgleichskurven für Aufweitung und Abkühlung.
überdies verschiebt sich der Mittelwert der Ist-Temperatur - wie schon aus Fig.5
ersichtlich ist - gegen den Soll-Mittelwert nach niedrigeren oder höheren Temperaturen.
Wenn sich der Lastzustand ändert, und-zwar je mehr von 50 weg nach oben (Fiu.6b)
oder nach unten (Fig.6c), wird also die Temperatur-Regelung bei Bestehen einer Totzeit
Tt noch wesentlich komplizierter und unübersichtlicher als bei bloßes Hysteresis.
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Unter solchen Umständen ist die Temperatur-Regelung im allgemeinen
fast immer mit den bekannten Mitteln und Verfahren der Regeltechnik schwer in den
Griff zu bekommen; mit anderen Worten bedeutet dies, eine halbwegs überschaubare
Problemlösung würde mit den bekannten bzw. verfügbaren Mitteln und Verfahren nur
mit einem hohen Aufwand an entsprechend komplizierten und damit kostenaufwendigen
Geräten oder überhaupt nicht zu realisieren sein. Es liegt auf der Hand, daß solche
Probleme der Temperatur-Regelung no-eh schwerer befriedigend zu-lösen sind, wenn
zusätzliche Grundforuerungen, wie zB. bezüglich Sicherheits-Schaltungen, beachtet
werden müssen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das erfindungswesentliche
Prinzip der Temperatur-Regelung gemäß dem Hauptpatent (Patentanmeldung Aktenzeichen:
P 25 o3 183.8-34) weiter- auszubilden und zu verbessern. Dabei sind vor allem Einzelheiten
des Verfahrens eingeschlossen, mit denen die angestrebte
Verminderung
der Differenz zwischen zwei Ansprechwerten besonders zweckmäßig und wirksam erreicht
werden kann, dh. also z.B. diejenigen Mittel und Teilverfahren, mit denen die erfindungsgemäße
Berücksichtigung der Aufheizgeschwindigkeit realisiert und gegebenenfalls ergänzt
werden soll. Dabei sollen zusatzlich auch die besonderen Erfordernisse erfüllt werden,
die sich aus der Ausdehnung des grundlegenden Erfindungsgedankens auf beliebige
Fälle der Te:peraturregelung einschließlich der Wärmeableitungs-Funktion entsprechend
der Abkühlungsgeschwindigkeit folgerichtig ergeben, Die vorstehende Aufgabe wird
bei einem Verfahren der Temperatur-Reglung auf elektronischer Basis der eingangs
näher beschriebenen Gattung dadurch gelöst, daij mittels einer elektrisch steuerbaren
Vorrichtung und/oder unter Verwendung einer elektronischen Schaltung für die Keß-Auswertung
der Temperatur des Mediums die Wärmezuleitung bzw. -ableitung abwechselnd und gegebenenfalls
mit Totzeit und/oder Hysteresis behaftet sowohl in Abhängigkeit von der absoluten
Temperatur des Mediums als auch in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit
der Temperatur bei der Aufheizung und/oder bei der Abkühlung des Mediums erfolgt.
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In weiterer Ausgestaltung ist dieses Verfahren so ergänzt, daß ein
Ansprechwert für die Wärmezuleitung bei steigender Temperatur abgesenkt und/oder
ein Ansprechwert für die Wärmeableitung bei abnehmender Demperatur erhöht wird.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht also auf dem Prinzip, die Differenz der Ansprechwerte
umso mehr zu vermindern, je schneller sich die Temperatur ändert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der Temperatur
-Regelunçg
mit der Einengung der Ansprechwerte vermittelt gegen'aber dem eingangs beschriebenen
Stand der Technik und seinen Mängeln den angestrebten Vorteil, daß nicht nur die
störenden Überschwingbreiten, die von der t.^lirkung der Nachheizwärme (1achkdhlung)
herrühren, und somit eine dadurch bisher verursachte Verzögerung der Regelung wegen
der scheinbar vergrösserten Totzeit des Systems vermieden werden, sondern dies technisch
ohne unzulässigen Aufwand, aber vor allem funktionstechnisch logisch durch die intermittlerend
gesteuerte Wärmezuleitung und -ableitung erreicht wird. Vor allem aber wird dadurch,
daß sowohl bei der Aufheizung als auch bei der Abkühlung in einer besonderen Ausbildung
die Geschwindigkeit bei der Temperaturänderung berücksichtigt wird, auch die Verschiebung
des I';ittelwerts der Ist-Temperatur ganz oder mindestens zum größten Teil vermieden.
Dies ist in einem erfindungswesentlichen Merkmal begründet, daß -im Gegensatz zu
dem starren Einfluß der Totzeit - die sinngemäße Verschiebung der Ansprechwerte
dem Betrag nach an die Geschwindigkeit der Temperaturänderung -in Bereichen kritischer
Temperaturen möglicherweise sogar stärker - angepaßt wird.
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In besonderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Temperatur-Regelung wird die Differenz von gegebenenfalls dynamischen Ansprechwerten
der Steuerungsvorrichtung für die Wärme zuleitung bzw. -ableitung durch eine Hilfsyorrichtung
selbsttätig um einen Betrag vermindert, der mindestens annähernd proportional dem
zeitlichen Differentialquotienten der Temperatur-Anderung des içiediums ist. Durch
eine solche Maßnahme wird gemäß der Erfindung der angestrebte technische Fortschritt
deswegen besonders
weitgehend und relativ einfach erreicht, weil
die Beziehung des Differentialquotienten, wie der weiter unten folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels zu entneiirnen ist, technisch besonders einfach zu verwirklichen
ist.
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Im übrigen besteht in weiterer Ergänzung der Erfindung zunächst die
Möglichkeit, daB die Verminderung der Differenz der Ausprechwerte in einer Absenkung
des zu der Sperrung der Wärmezuleitung gehörenden Ansprechwerts um einen Betrag
entsprechend der Aufheizgeschwindigkeit und/oder in einer Erhöhung des zu der Freigabe
der Wärmezuleitung gehörenden Ansprechwerts um einen betrag entsprechend der Abkühlungsgeschwindigkeit
besteht. Der umgekehrte Weg besteht darin, daß die Verminderung der Differenz der
Ansprechwerte in einer Absenkung des zu der Freigabe der Wärmeableitung gehörenden
Ansprechwerts um einen Betrag entsprechend der Aufheizgeschwindigkeit und/oder in
einer Erhöhung des zu der Sperrung der Wärmeableitung gehörenden Ansprechwerts um
einen betrag entsprechend der Abkühlungsgeschwindigkeit besteht, Auch bezüglich
der optimalen Funktion gibt es zunächst bei noch weiter gehender Verfeinerung den
Weg, daß die gesamte Verminderung der Differenz von Ansprechwerten, ah, gegebenenfalls
die Summe aus Absenkungsbetrag und Erhöhungsbetrag höchstens annähernd gleich der
Summe aus den durch die Totzeit und/ /oder die Hysteresis des die Temperatur-Regelung
umfassenden Systems bedingten üiderungswerten und gegebenenfalls sonstigen durch
zusätzliche Einflüsse verursachten Ansprechwerts-Änderungen ist. Bei dieser erfindungswesentlichen
Besonderheit gibt es ebenfalls den reziproken Fall, daß die gesamte Verminderung
der
Differenz von Ansprechwerten, dh. gegebenenfalls die Summe
aus Absenkungsbetrag und Erhöhungsbetrag mindestens annähernd gleich der Summe aus
den durch die Totzeit und/ouer die Hysteresis des die Gemperatur-Regelung umfassenden
Systems bedingten iinderungswerten vermindert um eine Restdifferenz für die Sicherung
der Stabilität des Regelungsvorgangs ist0 Zur vollständigen Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe ist das vorbeschriebene Verfahren der Temperatur-Regelung im Sinne eines
noch gesteigerten Fortschritts so ergänzt, daß zwei Ansprechwerte durch den oberen
und den unteren Grenzwert einer Zweipunkt regelung mit Sperrung der Wärmlezuleitung
oberhalb des oberen und Freigabe unterhalb des unteren Grenzwerts gegeben. sind
und mit ihnen ein dritter Grenzwert mit vorwählbaren Grenzbedingungen in einer Zusatzcinrichtung
verknüpft wird, die unabhängig von dem Bunktionszustand -der Zwelpunkt-Ternperatur-egelung
die Heizungsanlage in einen vorgeDbaren Betriebszustand überführt.
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iine besonders geeignete Ausführung besteht darin, daß durch einen
zusätzlichen Vorrichtungskreis in der Steuerungsvorrichtung, vorzugsweise der Art
eines Sicherheits-Temperatur-Begrenzers die Wärmezuleitung und/oder die Wärmeableitung
sperrt bzw. freigibt und diese Sperrung bzw. Freigabe durch eine gesondert verriegelbare
bzw. entriegelbare Vorrichtung, insbesondere der Bauart einer elektrischen Schaltereinrichtung
aufgehoben werden. Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, daß auch diese Besonderheiten
ohne weiteres auf den reziproken Fall der Kühlung übertragen werden können.
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Eine eigentliche praktische Ausbildung des beschriebenen Verfahrens
ist dann besonders zweckmässig,
wenn die Wärmezuleitung bzw. Wärmeableitung
durch eine zu der Steuerungsvorrichtung gehörende Schaltvorricntung intermittierend
bewirkt wird, deren Sperrung bzw. Freigabe durch die Größen von irindestens zwei
Eingängen gesteuert wird. Dies kann in vorteilharter Erganzung dadurch bewerkstelligt
sein, daß die Steuerung mittels zweier Eingangsgrößen durch deren additive und/oder
multiplikative Verknüpfung erfolgt, indem der eine eingang eine von dem anderen
Eingang als Parameter abhängige Funktion der Grölle des Ausgangskreises wirkt. In
letzter Konsequenz ist dabei dafür gesorgt, daß die Größe an dem einen Eingang ein
der absoluten Temperatur entsprechender meßwert und die Größe an dem anderen Eingang
ein dem zeitlichen Differentialquotienten der Temperatur-Änderung entsprechender
Meßwert sind.
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Das im vorstehenden in einer gewissen Zahl von voneinander unabhängig
oder kombiniert anwendbaren erfindungswesentlichen Merkmalen beschriebene Verfahren
der Temperatur-Regelung wird durch eine Steuerungsvorrichtung ausgeübt, bei der
in einem Ausgang ein Mittel für die Sperrung bzw. Freigabe der Wärmezuleitung und/oder
der Wärmeableitung enthält und als eine Differentialeinrichtung mit mindestens zwei
Eingängen aufgebaut ist, wobei die Größe an einem Eingang die Funktion des Ausgangs
in Abhängigkeit von der Größe des zweiten Eingangs parameterartig, dh. in dem Sinne
verschiebt, als ob die erte der Größe des zweiten Eingangs um einen konstanten Betrag
additiv und/oder niultiplikativ verändert wären.
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Diese besonderheit läßt sich mit elektronischen Mitteln dadurch verwirklichen,
daß die Differenz
tialeinrichtung ein elektronischer Schwellwertverstärker,
insbesondere vom Typ eines IIalbleiter-Operationsverstärker-Bausteins, mit einem
nichtinvertierenden und einem invertierenden Eingang ist und an dem ersteren ein
Temperatur-Fühler liegt und der letztere über eine Verstärkerstufe, insbesondere
einen Transistor von der Ausgangsspannung eines Differential-Verstärkers, insbesondere
mit frequenzabhängiger Xückkopplung und vorzugsweise vom Typ eines Halbleiter-Operationsverstärker-Bausteins
beaufschlagt wird.
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Wenn gemäß dem Iiauptpatent in einer derartigen Steuerungsvorrichtung
auch ein einstellbares Verzögerungsglied enthalten ist, insbesondere im Falle einer
elektronischen Schaltung für die rießAuswertung der Temperatur ein RC-Glied, dessen
die degelungs-Hysteresis mitbestinaniende Zeitkonstante an die durch die maximale
Geschwindigkeit der Temperaturänderung des Mediums gegebene Zeitkonstante des Systems
anpaßbar ist, -dann lassen sich die noch verbleibenden, nicht völlig durch die vorbeschriebenen
erfindungswesentlichen Maßnahmen zu kompensierenden Überschwingbreiten zusätzlich
optimal glätten.
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Als Mittel für die Sperrung bzw. Freigabe der Wärme zuleitung und/oder
der Wärme ableitung dienen in der Regel sogenannte Stellglieder, wie z3. die im
Hauptpatent erwähnte Ladepumpe eines Boilers und dessen elektrische oder elektronische
Schaltungsart.
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In einer besonders vorteilhaften praktischen Ausübung bzw. Ausbildung
der Erfindung ist die gesondert verriegelbare Vorrichtung in einem Tauchrohr mit
einem Reed-Kontrollschalter ausgestattet, dessen Magnetfeld
ein
Temperatur-Verhalten aufweist, das bei Brreichen der Curie-Temperatur demjenigen
eines Kalteiters (PTC) entspricht, insbesondere indem zwischen den beiden Toroidmagneten
das Reed-Rohr von einem ferritischen Ringkern umschlossen ist, dessen Eisenatome
strukturell durch Nickel-Zink- bzw. I4angan-Zink-Atome ersetzt sind, und durch die
Einbauform an die der Sicherheits-Begrenzurlg entsprechende Temperatur angepaßt
ist. Der bei einer solchen einrichtung erreichbare technische Fortschritt wird noch
dadurch gesteigert, daß in weiterer Ausgestaltung die Verknüpfung mit einem dritten
Grenzwert insbesondere fur die Sicherheits-Kontrollschaltung in einer elektronischen
Zusatzeinrichtung in Verbindung mit einer Differentialschaltungs-minrichtung elektronischer
Bauart mit mindestens zwei Eingangskreisen erfolgt, von denen einer, vorzugsweise
derjenige des nicht-invertierenden Eingangs, einen Niedervolt-Thyristor enthält,
dessen Steuerelektrode (Gate) mit dem Reed-Kontrollschalter und einem damit schaltungstechnisch
kombinierten Quittungs-Tastenschalter zur Entriegelung verbunden ist.
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Weitere besonderheiten der Erfindung lassen sich der folgenden Beschreibung
anhand der Zeichnung entnehmen, in der Fig. 7: das Ausgleichsverhalten ohne und
mit Anwendung der Brfindung bei a) 50%iger Heizlast (bzw.
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Kühlungslast) b) 15%iger Last c) 9o0/oiger Last Fig. 8: a) die Abhängigkeit
des Widerstandes von der Temperatur bei einem NTC- bzw. PTC-Widerstand
b)
ein einfaches Schaltbild der elektronischen Verknüpfung zweier tegelgrößen c) das
zu Fig. 8b gehörende Diagramm für die. Abhängigkeit des Ausgangsstroms von den beiden
Singangs-Regelgrößen u ei und u e2 Fig. 9: a) einen Schwellwert-Verstärker mit zwei
Eingängen auf dem Grundprinzip eines Operationsverstärkers im Blockschaltbild b)
einen Differential-Verstärker mit frequenzabhängiger Rückkopplung in gleicher Art
c) einer zweistufigen Differential-Verstärker gemäß Fig, 9b mit einem Operationsverstärker
in konkret ter Darstellung Fig. 10: eine Konstruktionsskizze mit Tauchrohr und der
Regler-Elektronik zeigen, Die Beispiele der Fig. 7a bis 7c geben zwar wieder Ausgleichungskurven
für die gleichen Werte von Lastverhältnissen - 50%, 9oVa und 15% - wieder; die unterschiedliche
Zuordnung soll jedoch darauf hindeuten, daß diese Beispiele nichts mit denen der
Fig. 6a bis 6c zu tun haben.
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In Fig. 7a ist das Ausgleichsverhalten bei gleicher Zeitkonstante
für die Aufheizung und die Abkühlung, dh. also mittlere Last (5o) dargestellt, wobei
der ansteigende Ast 1 bei der Stelle 2 den oberen Ansprechwert der Regeleinrichtung
erreicht, bei dem die
Aufheizung von der Quelle zwar abgeschaltet
wird, jedoch eine weitere erhöhung der Temperatur wegen der Nachheizwärme des Systems
stattfindet, bis der Maxitalwert wegen der Totzeit Tt erst bei 3 erreicht wird und
die Temperatur gemäß der Abkühlungskurve bis zum unteren Ansprechwert 4 abfällt,
bei welchem ctie Aufheizung wieder eingeschaltet wird, aber die Temperatur - ebenfalls
wegen der Innenkapazität des Systems -zunächst weiter sinkt, bis nach der Stelle
5 die Aufheizung überwiegt. Die ijifferenz der Ansprechwerte 2 und 4 wird also durch
das Überschwingen des Regelvorgangs infolge der Totzeit noch merkbar störend vergrößert.
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Wird nun der obere Ansprechwert 2 gemäß der Erfindung entsprechend
dem zeitlichen Differentialquotienten der Aufheizuwskurve - der durch die dünn ausgezogene
Linie angedeutet ist - um den Betrag 6 bis zum Wert 7 abgesenkt und entsprechend
dem negativ gleichen Differentialquotienten der Abfallkurve der untere Ansprechwert
4 um den gleichen Betrag 8 bis zum Wert 9, durch den (zufällig) die Linie des negativ
gleichen Differentialquotienten fahrt, erhöht, dann wird das Überschwingen wesentlich
vermindert, dh. der Regelungseffekt erheblich verbessert. Wie man erkennt, hat dies
darin seine Ursache, daß der erfindungsgemäß "korrigierte" Ansprechwert (7) für
steigende Tempern tur unter demjenigen (9) für fallende Temperatur liegt, Da hierbei,
wenn der Korrektureffekt übertrieben wird, eine Instabilität (eine Uberregelung)
zustandekommen kann, muß die Absenkung bzw. Erhöhung unter Beachtung der Stabilitätsgrenzen
eingestellt bzw. festgelegt werden.
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die entsprechenden Kurven der Fig.7b und 7c
für
das Ausgleichsverhalten bei unterschiedlichen Zeitkonstanten für die Aufheizung
(Fig. 7b: kleiner, Fig. 7c: größer) und die Abkühlung (Fig. 7b: größer, Fig, 7c:
kleiner) zeigen, daß - wie schon im Falle der Fig. 6 - das Überschwingen nicht nur
größer, sondern auch unsymmetrisch wird. In beiden Fällen wirkt sich aber die Erfindung
wiederum glättend aus, indem die steileren Aste eine größere Änderung des Ansprechwerts,
eB. um den Betrag 1o in Fig. 7b, und die flacheren liste eine kleinere, zB. um den
Betrag 11 in Fig. 7b, zur Folge haben. Dadurch wird das Überschwingen nicht nur
vermindert, sondern auch symmetrischer gemacht; der r!Iittelwert des Istwerts der
Temperatur weicht also weniger von dem Sollwert ab; die gesamte Schankungsdifferenz
ist bei ihrem Maximalwert mit Xa bezeichnet. Die übrigen Bemerkungen bezüglich der
Fig. 7a, wie zu den Differentialquotienten und den "korrigierten" Ansprechwerten
sind sinngemäß auch auf die Fig. 7b und 7c zu übertragen.
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In Fig. 7a und 7b sind - jeweils für eine übliche und eine erfindungsgemäße
Regelung - die Ausgleichskurven für eine kleinere Totzeit - gestrichelt gezeichnet
- angedeutet; der erzielte Vorteil ist auch dort etwa im gleichen Verhältnis erkennbar,
wenn auch die Abweichungen insgesamt kleiner sind.
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In Fig. 8a zeigt die Kurve 21 die abfallende Charakteristik der Abhängigkeit
des NTC-Widerstandes von der Temperatur, während der PUC-Widerstand nur in dem Bereich
22 einen annähernd linearen, jedochsteigenden Ast in der Charakteristik 23 für die
Abhängigkeit seines Widerstandes von der Temperatur aufweist.
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Ein solcher Temperatur-abhängiger Widerstand 31 (Rx)
im
Basiskreis des PI'.P-Transistors )2 der Fig. 8b bewirkt nun, daíS bei bestimmtem
Spannungsteiler-Verhältnis zusammen mit dem Widerstand 33 der Kollektorstrom durch
das relais 34 ebenfalls mit steigender emperatur abnimmt, so daß das Relais bzw.
sein Arbeitskontakt bei einer bestimmten Temperatur abfällt. Eine solche Abfallkurve
für den Kollektorstrom kann nun durch eine veränderliche Spannung ue2 am Emitter
35 (Widerstand 36) in gewissen Grenzen verschoben werden.
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In Fig. 8c ist die Abhängigkeit des Kollektorstroms c von der Spannung
uel an der Basis-Elektrode des Transistors 32 für verschiedene Spannungen ue2 als
Parameter dargestellt. Wenn ig den Grenzstrom bezeichnet, bei dem das Relais im
Kollektorkreis abfällt, dann ist also dieser Grenzwert von der Temperatur proportional
der Spannung uel und von der Spannung ue2 als zweiter Regelgröße, zB. proportional
dem zeitli chen Differentialquotienten von uel, abhängig; der Ansprechwert, dh.
die zu dem Abfall des Relais gehörende Temperatur wird also annähernd proportional
zu dem Differentialquotienten der Temperatur verschoben.
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In Fig. 9a wirkt der Halbleiter-Operationsverstärker-Baustein 51
mit dem nichtinvertierenden 52 und dem invertierenden Eingang 53 als Schwellwertverstärker,
dessen Ausgangsstrom durch den Widerstand 54 und das Relais 55 mit dem parallelgeschalteten
Gleichrichter 56 von den Spannungen an den beiden Eingängen 52 und 53 abhängt. Der
nichtinvertierende Eingang 52 ist außerdem noch mittels des Thyristors 57 über die
Steuerelektrode (Gate) 58 mit einer dritten Grenzspannung verknüpft, indem bei Überschreitung
der Zündspannung des Thyristors 57 der Ausgangskreis 54, 55 und 56
gesperrt
wird, indem der Thyristor 57 leitend bleibt, nachdem der Reed-Kontrollschalter 58
bei Überschreitung der vorgewühlten Temperatur kurzgeschlossen wird und dadurch
die. Spannung über den Widerstand 58a am nichtinvertierendeh eingang 52 entsprechend
abgesenkt worden ist. Erst bei detätigung des Tastenschalters 59 (Quittungstaste)
wird die Zündspannung am Thyristor 57 ausrcichend unterschritten und damit die Spannung
am Eingang 52 so weit angehoben, daß im Ausgangskreis des Operationsverstärkers
51 wieder Strom fließt und die Wärmezuleitung durch das Relais 55 wieder freigegeben
wird. Der Reed-Kontrollschalter 58 ist in einem Reed-Rohr eingebaut, das in einem
Magnetield liegt, welches bei Erreichen der Curie-Temperatur ein ähnliches Verhalten
wie ein Kaltleiter (PTO-Widerstand) zeigt. Bei diesem nun bei zB. -loo OC geschlossenen
Kontakt wird, wie beschrieben, der Thyristor gezundet und der Operationsverstärker
gesperrt.
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wenn am invertierenden Eingang 53 aes als Schwellwert-Verstärker
wirkenden Operationsverstärkers 51 ein Temperaturfühler (Sensor vor Typ NTC) und
am nichtinvertierenden eingang 52 der Ausgang- eines Differentialverstärkers angeschlossen
ist, dessen Ausgangsspannung von Differentialquotienten der Temperatur von der #eit
abhängt, dann wirkt dieser Schwellwertverstärker wie derjenige von Fig.8b. Das Potential
am nichtinvertierenden Eingang des Schwellwertverstärkers wird durch einen Spannungsteiler
zunächst est eingestellt, und zwar so, daß der (Temperatur)-Arbeitsbereich angepaßt
ist; der üblicherweise ausnützbare Arbeitsb-ereich des verwendeten Temperaturfühlers
liegt in der Regel -zwischen 25 und 33 kOhin, bezogen auf einen Grundwer-t von ca
30 kOhm, oberhalb und unterhalb dieser Werte erfolgt, wie in der Beschreibungseinleitung
im
Zusammenhang mit dem Zweipunktrgler erwähnt, die Sperrung.
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In Fig.9b ist das Schaltbild eines Differential-Verstärxers mit frequenzabhängiger
@ückkopolung wiedergeben, in dem der eigentliche Verstärker als Blocksymbol 61 eingstragen
ist, dessen Ausgang 62 über die Leitung 63, die Parallel-RC-Kombination aus kondensator
65 (C2) und Widerstand 64 und die berien-RC-Kombination aus Kondensator 66 und Widerstand
67 verbungen ist. Zwischen dem Schaltknoten 68 und der NULL-leitung 69 ligt der
temperatur-abhängige Wiederstand 70 (NTC) als Temperaturfühler, also in einem Brückenzweig
ainer RC-Kette. Die Spannung im Ausgang 62 ist demnach proportional dem zeitlichen
Bifferentialquotienten des Wertes des Wingerstandes 70, damit auch der Temperatur,
sie ist also geeignet für den Anschluß an den nichtinverticrenden Eingang 52 des
Schwellwert-Verstärkers 51 der Fig.9a, während der invertierende Eingang 53 mit
dem Schaltknoten 68 verbunden sein kann, um die erfindungsgemäße Wirkung herneizuführen.
Die Fühlerspannung entsprechend der absoluten u;£peratur liegt also als Ist-Wert
ar invertierenden Eingang des Schwellwert-Verstärkers der Fig. 9c In der Differentialschaltung
ist der Fühler (NTC), wie erwähnt, Bestandteil einer Brückenschaltung mit einer
RC-Parallel- und einer RC-Serien-Kombination in den Zweigen, also einem stark ausSeprägLen
:requenzgang, nämlich im Bereich der sogenanten Grenzfrequenz proportional dem Quadrat
der Frequenz, der durch die Rückkopplung noch verstärkt wird. Mit dem Potentiome--ter
P. wird der Sollwert der egelgröße eingestellt.
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Die Änderung der Brückenspannung wird entsprechend dem erwähnten Frequenzgang
der Brückenschaltung zeitlich
differenziert; die Differenzierung
wird wesentlich durch den Kondensator Ci und das Potentiometer P2 bestimmt. Mit
dem Potentiometer P2 wird das differenzierte Signal der Regeleinrichtung außerdem
der Totzeit des Wärme systems angepaßt. Je höher die Aufheizgeschwindigkeit ist,
umso niedriger liegt die Schaltspannung des Ausgangskreises. Bei hoher Aufheizgeschwindigkeit
wird somit der Schwellwertverstärker bei einer niedrigeren Temperatur, also frühzeitiger
bzw0 bei einem niedrigeren Ansprechpunkt gesperrt und der Heizvorgang unterbrochen;
entsprechendes gilt für den Abkühlungs-Teilvorgang. Die Überschwingbreite der Vorrichtung
für die Temperatur-Regelung kann durch iQnderung der Zeitkonstante der Schaltung,
mit dem Potentiometer P2 in Werbindung mit den Kondensator C1, beeinflußt werden.
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In Fig. 9c ist der Differential-Verstärker zweistufig in Serie aus
dem Operationsverstärker 71 und dem Transistor 72 in Emitterfolge-Schaltung aufgebaut
und der Ausgang 73 über die RC-Kette 74 mit dem einen (invertierenden) Eingang 75
des Operations-Xerstärkers 71 verbunden, während der andere an einem Spannungsteilerknoten
76 zur Stabilisierung angeschlossen ist0 In einem der Brückenzweige der RC-Kette,
nämlich zwischen dem Schaltknoten 77 und der Nulleitung 78 liegt wieder, wie im
Falle der Fig. 9b, der temperaturabhängige Widerstand 79ç Dieser Schaltimoten 77
ist mit dem invertierenden Eingang 75 (wie 53 in Fig, 9a) des Schwellwertverstärkers
71, 72 (51 in Fig. 9a), der Emitterausgang 73 mit dem Parallel-RC-Glied P2-C2 verbunden;
die Funktionswirkung ist die gleiche wie diejenige des Schaltungsbeispiels der Fig.
9b.
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Sowohl bei dem Schwellwertverstärker der
Fig. 9a,
als auch beim Differential-Verstärker der Fig, 9c wird zweckmäßigerweise ein Operationsverstärker-Halbleiter-Bauelement
mit einem an sich üblichen und bekannten Verriegelungsgatter verwendet; dadurch
werden diese elektronischen Schaltungen und mit ihnen auch die Steuerungsvorrichtung
des erfindungsgemäßen Verfahrens der Temperatur-Regelung negativ eigensicher, dh.
bei Fühlerbruch oder Kurzschluß wird der Ausgang in jedem Fall gesperrt. Statt des
bisher beschriebenen Relais im Ausgang des Schwellwert-Verstärkers kann gelegentlich
ein Triac- oder Quadrac-Bauelement vorteilhaft ein; bei kontaktloser Leistungsschaltung
kann die Ansteuerung in an sich bekannter Weise durch Optokoppler oder Sullspannungs-Drigger
erfolgen.
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In Fig. lo ist der mechanische Aufbau eines Ausführungsbeispiels
der Steuerungsvorrichtung wiedergegeben, wobei in dem Tauchrohr lol - gemäß der
schematischen teilweise im Schnitt ausgeführten Explosionszeichnung - der Reed-Kontrollschalter
1o2, ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes Kontaktpaar, mit dem Toroidmagneten
103 zusammen mit einer Büllmasse 1o4 in dem Reed-Rohr io5 untergebracht sind.
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Das Reed-Rohr ist an dem auf einem Kessel in an sich bekannter Weise
mit der Verschraubung 1o6 befestigten Gehäuse 1o7 angebracht, das die elektronische
Baugruppe 1o8 mit dem Reglerwiderstand 1o9 für die Zeitkonstante unterhalb des Deckels
11o aufnimmt, an dessen Oberfläche der Reglerknopf 111 für die Achse 112 des Reglerwiderstandes
sitzt. Die Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung der Baugruppe 1o8
wird durch die Verschraubung 113 zugeführt. Der Fühler 114 (NTC) ist ebenfalls in
dem Reed-Rohr 105 untergebracht.
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L e e r s e i t e