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Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Wärmeträgers
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
eines Wärmeträgers, der durch eine Heizeinrichtung aufheizbar ist, die über ein
Stromventil mit Heizstrom gespeist wird, welches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
eines Zweipunkttemperaturreglers den Heizstrom unterbricht, wenn keine polaritätsrichtige
Regelabweichung vorliegt.
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Vorrichtungen der vorgenannten Art sind bekannt. So werden beispielsweise
zur Regelung der Temperatur des Wärmeträgers von Labor-Thermostaten Zweipunktregler
eingesetzt, die über ein Stromventil
den Heizstrom voll einschalten,
wenn die Temperatur unterhalb des eingestellten Sollwertes liegt. Überschreitet
die Temperatur den Sollwert, so wird der Heizstrom abgeschaltet. Als Regelverlauf
einer Zweipunktregelung ergibt sich eine Dauerschwingung der Regelgrösse um den
Sollwert. Die Kurvenform der Regelschwingung hängt ab von der Grösse des Sollwertes
innerhalb des Regelbereiches. Der Mittelwert der Regelschwingung weicht nur dann
nicht vom Sollwert ab, wenn dieser in der Mitte des Regelbereiches liegt, d.h. man
muss beim Verschieben des Sollwertes gegen den Anfang oder nach dem Ende des Regelbereiches
eine zunehmende bleibende Regelabweichung in Kauf nehmen. Bleibende Regelabweichungen
lassen sich vermeiden, wenn man anstelle eines Zweipunktreglers eine stetige Regeleinrichtung
verwendet. Eine stetige Regeleinrichtung muss jedoch genau den Eigenschaften der
Regelstrecke angepasst werden, damit die erforderliche Regelgenauigkeit gewährleistet
ist. In vielen Fällen, unter anderem auch bei Labor-Thermostaten, sind nun die Eigenschaften
der Regelstrecke nicht konstant, da zur Einstellung unterschiedlicher Arbeitstempe
ratu rbereiche unterschiedliche Wärmeträger verwendet werden, deren Eigenschaften
(beispielsweise Wärmekapazität, Viskosität, Dichte, Zeitstandverhalten) maßgeblich
die Eigenschaften der Regelstrecke bestimmen. Man erzielt also selbst bei Verwendung
einer der Regelstrecke genau angepassten stetigen Regeleinrichtung nicht immer die
gewünschte Genauigkeit.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Regelung der Temperatur eines Wärmeträgers zu schaffen, die bei einem möglichst
einfachen Aufbau ein hohes Maß an Regelgenauigkeit gewährleistet, ohne dass dazu
eine Anpassung an die Eigenschaften der Regelstrecke erforderlich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art, die erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass das Stromventil bei Vorliegen
einer polaritätsrichtigen Regelabweichung wiederholt durch eine Steuerpulsfolge
derart in den Durchlasszustand steuerbar ist, dass die Schaltperiode des Stromventils
ein von der Grösse der Regelabweichung abhängendes Tastverhältnis aufweist.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird das im Heizstromkreis
liegende Stromventil durch die Steuerpulse einer Steuerpulsfolge, deren Pulsfrequenz
gross ist im Vergleich zur Schalffrequenz des Zweipunktreglers, periodisch in den
Durchlasszustand geschaltet, wenn der Zweipunktregler einen Einschaltimpuls liefert,
d.h. das Ausgangssignal des Zweipunktreglers sich auf dem Einschaltwert befindet.
Die Zeitdauer, während der das Stromventil pro Steuerpuls sich im Durchlasszustand
befindet, ist umso länger, je grösser die Regelabweichung ist. Der Heizeinrichtung
wird also bei grosser Regelabweichung effektiv mehr Heizstrom zugeführt als bei
einer kleineren Regelabweichung. Im Wärmeträger stellen sich dadurch Temperaturschwankungen
ein, und der Schwingungsverlauf der Temperatur um den am Zweipunktregler eingestellten
Sollwert nimmt eine solche Form an, dass die Einschaltzeit des Zweipunktreglers
gleich der Ausschaltzeit wird,d. h. das Ausgangssignal des Zweipunktreglers ein
Tastverhältnis von 0,5 annimmt. Somit wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung
automatisch dafür gesorgt, dass jeder geregelte Sollwert in der Mitte des Regelbereiches
liegt. Bleibende Regelabweichungen können somit nicht auftreten, da der Mittelwert
der Regelabweichung stets dem eingestellten Sollwert entspricht. Der zur Vermeidung
von bleibenden Regelabweichungen erforderliche Schaltungsaufwand ist verhältnismässig
gering und erfordert auch keine aufwendigen Anpassungsmaßnahmen an die Eigenschaften
der Regelstrecke.
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Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Stromventil über
ein UND-Glied angesteuert, das zwei Eingänge aufweist, von denen der eine mit dem
Ausgangssignal des Zweipunkttemperaturreglers beaufschlagt wird, während der andere
mit Steuerpulsen beaufschlagt wird, deren Tastverhältnis proportional dem Zeitintegral
des Ausgangssignals des Zweipunktreglers ist.
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Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzeugung
der Steuerpulse ein Impulsgenerator vorgesehen, der Steuerpulse mit einer im Vergleich
zur Schaltfrequenz des Zweipunkttemperaturreglers grossen Frequenz erzeugt und bei
dem das Tastverhältnis der Steuerpulse in Abhängigkeit von einer am Eingang anliegenden
Steuerspannung einstellbar ist, die vom Ausgang eines Integralgliedes zugeführt
wird, dessen Eingang mit dem Ausgangssignal des Zweipunkttemperaturreglers beaufschlagt
wird.
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Zweckmässigerweise wird als Zweipunkttemperaturregler ein temperaturempfindlicher
mechanischer Schalter vorgesehen.
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Die Erfindung wird nun näher anhand der Zeichnung erläutert, die ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt.
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
eines Wärmeträgers weist einen Zweipunktregler 1 auf, der mit der die Regelgrösse
x darstellenden Temperatur eines Wärmeträgers und mit dem gewünschten Temperatursollwert
w beaufschlagt wird. Der Zweipunktregler 1 zeigt ein symmetrisches Zweipunktverhalten,
d. h. das Ausgangssignal des Zweipunktreglers kann zwei nur hinsichtlich des Vorzeichens
unterschiedliche Werte annehmen. Falls
die Temperatur des Wärmeträgers
unter dem Sollwert liegt, ist das Ausgangssignal positiv, anderenfalls negativ.
Als Zweipunkttemperaturregler wird zweckmässigerweise ein temperaturempfindl icher
mechanischer Schalter vorgesehen. Das Ausgangssignal des Zweipunktreglers wird über
einer Schaltverstärker 2 an den einen Eingang eines UND-Gliedes 3 angelegt, mit
dessen Ausgangssignal ein Stromventil 4 angesteuert wird, das in dem nicht näher
dargestellten Heizstromkreis zum Aufheizen des Wärmeträgers liegt. Der andere Eingang
des UND-Gliedes steht mit dem Ausgang eines Steuerpulsgenerators 5 in Verbindung,
der Steuerpulse mit einer im Vergleich zur Schaltfrequenz des Zweipunktregle.rs
1 grossen Frequenz zu liefern vermag. Die Steuerpulse werden vom UND-Glied 3 nur
dann zum Steuereingang des Stromventils 4 durchgelassen, falls eine pol a ritätsrichtige
Regelabweichung vorliegt und daher am einen Eingang des UND-Gliedes das verstärkte
positive Ausgangssignal des Zweipunktreglers 1 anliegt. Das Stromventil 4 ist gesperrt,
falls kein Steuerpuls am Steuereingang anliegt. Beim Auftreten eines Steuerpulses
am Steuereingang des Stromventils wird das Stromventil in den Durchlasszustand für
die Dauer des Steuerpulses gesteuert, worauf dann das Stromventil 4 wieder sperrt.
Bei Vorliegen einer polaritätsrichtigen Regelabweichung wird der Heizstromkreis
durch das Stromventil 4 periodisch geöffnet und geschlossen. Jeder Steuerpuls leitet
also eine Schaltperiode des Stromventils ein, wobei die Öffnungszeit des Stromventils
während der Schaltperiode von der Dauer des Steuerpulses abhängt. Das Tastverhältnis
der Schaltperiode des Stromventils hängt also vom Tastverhältnis der Steuerpulse
ab.
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Das Tastverhältnis der vom Steuerpulsgenerator 5 gelieferten Steuerpulse
ist variabel und hängt von dem am Steuereingang des Steuerpulsgenerators 5 anliegenden
Ausgangsspannung eines Integralgliedes 6 ab, an dessen Eingang das Ausgangssignal
des Zweipunktreglers 1 anliegt
und dessen Ausgangsspannung daher
proportional dem Zeitintegral des Ausgangssignals des Zweipunktreglers ist. Durch
den Steuerpulsgenerator 5 wird also die Ausgangsspannung des Integralgliedes 6 inkremental
in Form von Steuerpulsen dargestellt, deren Breite (Dauer) sich in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung des Integralgliedes ändert. Das Tastverhältnis der Steuerpulse
ist also proportional dem Zeitintegral des Ausgangssignals des Zweipunktreglers,
wobei das Zeitintegral des Ausgangssignals des Zweipunktreglers wiederum proportional
dem Tastverhältnis des Zweipunktreglers und damit proportional der Grösse der Regelabweichung
ist. Da das Tastverhältnis der Steuerpulse, die wiederum das Tastverhältnis der
Schaltperiode des Stromventils 4 festlegen, eine Funktion der am Steuereingang des
Steuerpul sgenerators 5 anliegenden Spannung ist, wird gewährleistet, dass die Schaltperiode
des Stromventils 4 ein von der Grösse der Regelabweichung abhängiges Tastverhältnis
aufweist. Das Tastverhältnis des rechteckwellenförmigen Ausgangssignals des Zweipunktreglers
stellt sich dadurch automatisch auf den Wert 0,5 ein, d.h. der geregelte Sollwert
liegt in der Mitte des Regelbereiches und der Mittelwert der Regelabweichung entspricht
somit stets dem eingestellten Sollwert.
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Die erfindungsgemäss angestrebte automatische Einstellung des Tastverhältnisses
des rechteckwellenfö rmig en Ausgangssignals des Zweipunktreglers auf den Wert 0,5
ist ganz exakt nur möglich, solange der Leistungsbedarf der Heizeinrichtung für
den Wärmeträger kleiner als 50 % der Nennleistung der Heizeinrichtung ist. Diese
Bedingung lässt sich gegebenenfalls immer durch entsprechende Auslegung der Heizeinrichtung
einhalten.
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Als Stromventil verwendet man zweckmässigerweise einen Triac oder
einen Thyristor. Der Steuerpulsgenerator 5 wird zweckmässigerweise
derart
ausgelegt, dass das Tastverhältnis der erzeugten Steuerpulse proportional der am
Steuereingang anliegenden Spannung ist.
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