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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerungsschaltung zum schnellen Ansteuern
eines Hubmagneten für die Auslösung eines Schnellschlußventils gemäß Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Schnellschlußventile werden üblicherweise dort eingesetzt, wo ein
Hochvakuum- oder ein Ultrahochvakuumsystem (etwa 10 5 bis 10-11 mbar) einer Gefahr
von Lufteinbrüchen ausgesetzt ist. Dies ist im allgemeinen bei Elektronen- oder
Protonen-Beschleunigeranlagen der Fall, bei denen entweder der Experimentierstrahl
nach dem Erreichen der für das jeweilige Experiment gewünschten Energie aus dem
Beschleuniger ausgelenkt und durch ein Strahlführungsrohr in das Experimentiergebiet
geleitet wird oder die von einem umlaufenden Elektronenstrahl abgestrahlte Synchrotronstrahlung
durch ein Vakuumrohr aus dem Beschleuniger tangential austritt. Im Strahlführungsrohr
herrscht ebenso wie im gesamten Beschleunigungsteil der Beschleunigeranlage Hochvakuum
oder Ultrahochvakuum. Mit der Vergrößerung des Vakuumsystems und der Erhöhung der
Anzahl von Experimentiergebieten wächst gleichzeitig die Gefahr von Lufteinbrüchen
durch Lecks an Verbindungselementen oder durch Bruch von Folienfenstern, durch die
der Strahl aus dem
Vakuum in den Laborraum eintritt. Im ungünstigsten
Fall können derartige Lufteinbrüche so schlagartig auftreten, daß die plötzliche
Belüftung zu einer zerstörerischen Stoßwelle führt, die sich etwa mit dreifacher
Schallgeschwindigkeit und äußerst steiler Flanke in das Vakuumsystem hineinbewegt.
Eine solche Stoßwelle führt aber zu Zerstörungen im Beschleuniger und damit zu schweren
Betriebsstörungen, die unter allen Umständen vermieden werden sollen. Man hat bisher
bereits Schnellschlußventile verwendet, welche den Beschleuniger durch schnelles
Absperren des Ultrahochvakuums bei einem Druckanstieg in der Rohrleitung schützen
sollen. Da die sich mit etwa 1000 m/sec ausbreitende Stoßwelle in 1 msec etwa 1
m zurücklegt, ist es klar, daß für jede Millisekunde Schließzeit des Ventils etwa
1 m Laufweg erforderlich ist. Die bislang verwendeten Schnellschlußventile sind
Klappenventile, bei denen eine Ventilklappe unter Wirkung einer Feder auf ihren
zugehörigen Ventilsitz geschlagen wird. In geöffnetem Zustand spannt die Klappe
ein oder mehrere Federn und ist in dieser Stellung mechanisch verriegelt. Zum Schließen
des Klappenventils wird diese Verriegelung durch Betätigung eines Hubmagneten gelöst,
wodurch die Federn die Ventilklappe auf den Ventilsitz ziehen. Die Ansteuerung des
Hubmagneten erfolgt durch Messung des bei Lufteinbrüchen auftretenden schnellen
Druckanstiegs und Erzeugung
eines elektrischen Auslösesignals für
die Betätigung des Hubmagneten. Ein Nachteil der bislang bekannten Ansteuerungsschaltungen
liegt darin, daß sie keine schnelleren Anzugszeiten als 18 msec für den Hubmagneten
zulassen, was von vornherein eine Rohrleitung von mehr als 20 m Länge erfordert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine schneller arbeitende Ansteuerungsschaltung
für Schnellschlußventile zu schaffen. Insbesondere soll eine Ansteuerungsschaltung
geschaffen werden, die einen Hubmagneten eines Schnellschluß-Klappenventils schneller
als bisher anzieht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Ansteuerungsschaltung mit den
im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen.
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Dadurch wird für einen beispielsweise in Verbindung mit einem Schnellschluß-Klappenventil
gemäß Patentanmeldung P 29 51 387.9 verwendeten Hubmagneten eine Anzugszeit von
etwa 5 msec erreicht, wodurch ein Vakuumsystem innerhalb von 10 msec absperrbar
ist. Eine dem Schnellschlußventil aus Sicherheitsgründen vorgeschaltete Verzögerungsleitung
braucht daher nur etwa 10 m lang zu sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert;
es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer Ansteuerungsschaltung; Figur 2 ein
die Anordnung einer Meßeinheit verdeutlichendes Schemaschaltbild; Figur 3 ein Prinzipschaltbild
einer Meßeinheit gemäß Figur 1; Figur 4 ein Prinzipschaltbild einer, Steuereinheit
gemäß Figur 1; Figur 5 ein Prinzipschaltbild einer Leistungseinheit gemäß Figur
1; und Figur 6 eine Einzelheiten darstellende Auslöseschaltung eines Hubmagneten
gemäß Figur 1.
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Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild der Ansteuerungsschaltung
weist eine Meßeinheit 1 auf, die Eingangssignale von Druckmeßfühlern 5 und 6 aufnimmt.
Ein Ausgangssignal der Meßeinheit 1 gelangt in eine Leistungseinheit 3, an die ein
Hubmagnet 4 angeschlossen ist, der die Ventilklappe 7 auslöst.
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Die Steuereinheit 2 steuert die Inbetriebnahme der Meßeinheit 1, der
Leistungseinheit 3 und das Öffnen und Spannen/Entspannen der Ventilklappe 7 und
erhält von diesen Einheiten Informationen über deren jeweiligen Betriebszustand.
Diese Informationen werden in der Steuereinheit 2 verarbeitet und teilweise an eine
Vakuumverriegelungsschaltung weitergegeben. Die Steuereinheit 2 kann außerdem ein
Steuersignal von der Vakuumverriegelungsschaltung erhalten. Da die elektrischen
Verbindungen zwischen den Druckmeßfühlern 5, 6 und der Meßeinheit 1 sowie zwischen
der Leistungseinheit 3 und dem Hubmagneten 4 kurz sein sollen, ist die Steuereinheit
2 zweckmäßigerweise getrennt davon in einem zentralen Kontrollschrank untergebracht.
Die Ansteuerungsschaltung ist dadurch in drei Geräte aufgeteilt.
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Das nachfolgende Ausführungsbeispiel führt zwei Funktionen durch,
nämlich a) eine schnelle Druckmessung, und b) eine schnelle Hubmagneten-Ansteuerung.
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Die schnelle Druckmessung erfolgt mit einer Druckmeßschaltung, in
der Druckanstiege in weniger als 0,5 msec erfaßbar sind. In dem zu überwachenden
Druckbereich von 1 . 10 7 mbar bis 1 . 10 5 mbar lassen sich bislang lediglich Penning-
oder Kaltkathoden-Vakuummeter als Meßfühler
einsetzen, da nur
diese Meßfühler eine genügend schnelle Druckmessung ermöglichen und außerdem durch
plötzliche Lufteinbrüche nicht beschädigt werden. In einer bevorzugten Ausführung
ist der Meßfühler eine nach dem Penning-Prinzip arbeitende Ionen-Zerstäuberpumpe
mit einem Saugvermögen von etwa 1,7 1/sec bei einer Anodenspannung von 3000 Volt.
Diese Pumpe liefert bei einem Druck von 1.106 mbar als Meßsignal einen Strom von
etwa 10/um.
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Die Strommessung erfolgt gemäß Figur 2, wobei das Meßgerät (/uA) in
der von einem Hochspannungsgerät (HV) zu einer Getterpumpe (GP) führenden Leitung
liegt. Das Meßgerät (/uA) ließe sich zwar auch in den vom Hochspannungsgerät (HV)
zur Erde führenden Zweig legen. Bei dieser Schaltung treten jedoch über die Kapazitäten
der Hochspannungsversorgung (Transformatorwicklung) gegen Masse störende Wechselströme
auf, die durch das Meßinstrument fließen. Die Frequenz dieser Ströme liegt im Bereich
der Netzfrequenz und deren Oberwellen und muß durch entsprechende Frequenzfilter
beseitigt werden.
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Eine Registrierung von schnellen Druckänderungen ist dann jedoch nicht
mehr möglich.
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Das Meßinstrument (/uA) ließe -sich außerdem in den von der Getterpumpe
(GP) gegen Erde verlaufenden Zweig legen;
dies erfordert jedoch
eine kathodenseitig gegen Masse isolierte Getterpumpe. Da Penning-Röhren, beispielsweise
Getterpumpen, üblicherweise kathodenseitig mit Masse verbunden sind, wäre dann jedoch
eine Sonderanfertigung erforderlich.
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Das Meßinstrument (/uA) liegt daher in der bevorzugten Ausführung
in dem zur Getterpumpe führenden Hochspannungszweig.
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Figur 3 zeigt Einzelheiten der Meßeinheit gemäß Figur 1, wobei an
die Meßeinheit 1 zwei Getterpumpen 5 und 6 als Druckmeßfühler angeschlossen sind.
Durch Verwendung von zwei Getterpumpen 5 und 6 wird verhindert, daß aufgrund von
statistisch auftretenden, kurzzeitigen Druckerhöhungen in einer der Getterpumpen
eine zufällige Auslösung des Hubmagneten bewirkt wird. Die Auslösung erfolgt wegen
der zweikanaligen Messung nur dann, wenn an beiden Meßstellen ein den Sollwert übersteigender
Druckwert hinreichend lange festgestellt wird.
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Die Signalleitungen der Getterpumpen 5 und 6 sind jeweils an einen
Trennverstärker TV1 bzw. TV2 angeschlossen, die zwischen Eingang und Ausgang gut
isoliert sind und einer Potentialdifferenz von 5000 Volt standzuhalten vermögen.
Derartige Trennverstärker werden beispielsweise
von der Firma
Intronics mit der Typenbezeichnung IA276 hergestellt. Die Ausgangssignale der Trennverstärker
TV1 und TV2 werden nach Zwischenverstärkung in Verstärkern V1 und V2 in Komparatoren
K1 bzw.
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K2 mit einem einstellbaren Schaltschwellenwert verglichen. Die Einstellung
erfolgt in Grenzen von 10 7 bis mbar mit Hilfe eines Potentiometers 10, dessen Mittelabgriff
an die Komparatoren K1, K2 geführt ist.
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Beim Überschreiten der eingestellten Schwelle geben die Komparatoren
K1, K2 ein Signal an ein UND-Gatter 11 ab, das nur dann ein Ausgangssignal an eine
Prüfschaltung 12 liefert, wenn beide Getterpumpen 5 und 6 einen Druckanstieg gemessen
haben. In einer Prüfschaltung 12 wird das Ausgangssignal des UND-Gatters 11 um weniger
als etwa 1 ms verzögert, um zufällige Koinzidenzen von Getterpumpen-Meßsignalen
auszuschließen.
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Nach dem Durchlaufen der Prüfschaltung wird das Signal verstärkt und
über eine Steuerleitung an die Steuerelektrode eines in der Leistungseinheit 3 liegenden
Thyristors 14 gelegt, um diesen aufzusteuern und damit den Hubmagneten zu aktivieren.
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In der Meßeinheit 1 liegt ferner noch ein Netzteil 16, das aus 220
Volt Wechselspannung + 15 Volt Gleichspannung für die Versorgung der Meßschaltung
sowie 28 Volt
Gleichspannung für die Versorgung eines Gleichspannungswandlers
28 V/3000 V zur Versorgung der Getterpumpen liefert.
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Figur 4 zeigt Einzelheiten der Steuereinheit 2 gemäß Figur 1, worin
ein zweites Netzteil 18 zur Erzeugung von 5 Volt und 12 Volt Gleichspannung aus
220 Volt Wechselspannung dient. Vor dem zweiten Netzteil 18 verzweigen sich die
Netzleitungen und führen aus der Steuereinheit 2 zu dem in der Meßeinheit 1 liegenden
ersten Netzteil 16, zur Leistungseinheit 3 und zur Ventilklappe 7. Die von den Getterpumpen
5 und 6 stammenden Signale werden aus der Meßeinheit 1 zum Zwecke der Anzeige an
die Steuereinheit 2 übertragen. Die Steuereinheit 2 weist ferner eine Überstromschaltung
auf, die das Auslösesignal hinter der Prüfschaltung 12 in der Meßeinheit 1 abgreift
und die Hochspannungszuführung zu den Getterpumpen 5 und 6 unterbricht. Ferner ist
die Steuereinheit mit Anzeigen versehen, welche die jeweilige Stellung der Ventilklappe
anzeigen. Außerdem kann mit Hilfe der Steuereinheit 2 ein angeschlossenes Schnellschluß-Klappenventil
geöffnet, gespannt und zum Ausheizen in eine Stellung gebracht werden, in der die
Federn nicht gespannt sind.
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Figur 5 zeigt die Leistungseinheit 3 gemäß Figur 1, in der der Thyristor
14 zur Freigabe des Stromflusses
durch die Magnetspule 23 des Hubmagneten
4 (Figur 1) dient. Kathodenseitig ist der Thyristor 14 an Masse M gelegt und anodenseitig
mit einem Ende der Magnetspule 23 des Hubmagneten verbunden. An die Steuerelektrode
des Thyristors 14 ist eine von der Meßeinheit 1 kommende Steuerleitung 20 angeschlossen,
über die das von den Getterpumpen 5 und 6 erzeugte Auslösesignal angelegt wird.
Das andere, nicht an den Thyristor 14 angeschlossene Ende der Magnetspule 23 ist
mit einer 270 Volt positive Gleichspannung liefernden Spannungsquelle 32 verbunden.
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Figur 6 zeigt Einzelheiten der Spannungsquelle 32, wonach die Magnetspule
23 an eine Kondensator-Kaskadenschaltung angeschlossen ist. Als Hubmagnet ist beispielsweise
ein Magnet der Firma Binder verwendbar, der für eine Nennspannung von 24 Volt bei
einer Einschaltdauer von 15 Sekunden je 5 Minuten Spieldauer ausgelegt ist. Die
Einschaltdauer bzw. die zulässige Spannung sind durch die Erwärmung der Magnetspule
begrenzt.
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Die Zeit, die der Anker des Magneten braucht, um einen bestimmten
Weg zurückzulegen, wird im wesentlichen bestimmt durch die Kraft zur Beschleunigung
des Ankers am Anfang des Weges. Die Kraft, die auf den Anker wirkt, ist in gewissen
Grenzen ungefähr proportional dem Strom durch die Magnetspule.
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Durch die Induktivität der Spule wird die Anstiegsgeschwindigkeit
des Stromes und damit auch die Kraft während der Beschleunigungsphase begrenzt.
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Durch Anlegen einer Spannung, die höher als die Nennspannung ist,
kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes bzw. der Kraft wesentlich erhöht und
damit die Anzugszeit des Ankers verkürzt werden.
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Mit der in Figur 6 dargestellten Schaltung wird der auf 24 Volt ausgelegte
Hubmagnet kurzzeitig mit 270 Volt betrieben, wodurch seine Anzugszeit für einen
Hub von 10 mm von etwa 18 msec bei Nennspannung auf 4,7 msec verkürzt wird. In Verbindung
mit einem Schnellschluß-Klappenventil ist hingegen zum Auslösen einer Sperrklinke
lediglich ein Hub von etwa 3 bis 4 mm erforderlich, was die Anzugszeit weiter verkürzt.
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Um eine unzulässige Erwärmung der Magnetspule zu verhindern, muß die
mehr als das Zehnfache der Nennspannung betragende Arbeitsspannung nach kurzer Zeit
wieder auf oder unter die Nennspannung abgesenkt werden. Hierzu dient eine dreistufige
Kaskade von Elektrolyt-Kondensatoren, in denen die für den Hubmagneten benötigte
elektrische Energie gespeichert wird.
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In der ersten Stufe liegt ein 1000 /uF-Elektrolytkondensator 24 mit
seinem Minuspol an einem Ende einer Sekundärwicklung W1 des Trenntransformators
TR und mit seinem Pluspol über einen Vorwiderstand 29 an der Kathode der Diode D3,
deren Anode mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung W1 verbunden ist.
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In der zweiten Stufe liegen zwei Elektrolytkondensatoren 25 mit jeweils
1000 /uF mit ihrem Minuspol an dem einen Ende einer zweiten Sekundärwicklung W2
des Trenntransformators TR, während der Pluspol der zweiten Kondensatorstufe 25
an der Kathode der Diode D2 liegt, deren Anode über den Vorwiderstand 30 mit dem
anderen Ende der Sekundärwicklung W2 verbunden ist. Der Pluspol der zweiten Kondensatorstufe
25 liegt außerdem am Minuspol der ersten Kondensatorstufe 24.
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In der dritten Stufe liegen vier Elektrolytkondensatoren 26 mit jeweils
1000 /uF mit ihrem Pluspol am Minuspol der zweiten Kondensatorstufe 25 und somit
an dem einen Ende der Sekundärwicklung W2 des Trenntransformators TR und mit ihrem
Minuspol an Masse sowie an der Anode der Diode D1, deren Kathode ebenfalls über
den Vorwiderstand 30 mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung W1 verbunden ist.
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Die Sekundärwicklungen W1 und W2 des Trenntransformators TR liefern
im Leerlauf eine Wechselspannung von je 70 Volt. Durch Spitzenwertgleichrichtung
entsteht daraus an jeder der drei Kondensatorstufen 24 25 und 26 eine Gleichspannung
von je 90 Volt.
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Die Magnetspule 23 des Hubmagneten liegt mit einem Ende an der Anode
des Thyristors 14, dessen Kathode mit Masse verbunden ist. Das andere Ende der Magnetspule
23 ist verbunden mit dem Pluspol der ersten Kondensatorstufe 24, mit der Kathode
der Diode D5, deren Anode mit dem Pluspol der zweiten Kondensatorstufe 25 verbunden
ist sowie mit der Kathode der Diode D4, deren Anode mit dem Pluspol der dritten
Kondensatorstufe 26 verbunden ist. Dabei addieren sich die Spannungen der drei Kondensatorstufen
24 bis 26, und es wird an den Hubmagneten 22 etwa das Zehnfache seiner Nennspannung
gelegt.
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Dadurch wird ein schnelles Ansteigen des Stromes durch die Magnetspule
23 erreicht. Durch die Entladung der Elektrolytkondensatoren 24 bis 26 sinkt die
an die Magnetspule 23 gelegte Spannung in dem Maße ab, wie der Strom durch die Magnetspule
ansteigt und die Geschwindigkeit zunimmt, mit der sich der Anker des Hubmagneten
bewegt. Schließlich sinkt die Spannung unter die Nennspannung der Magnetspule, so
daß keine Gefahr einer unzulässigen Erwärmung der Magnetspule besteht.
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Durch den dreistufigen Aufbau der Kondensator-Kaskade 24, 25, 26 und
die unterschiedlichen Kapazitäten der einzelnen Stufen wird ein wesentlich günstigerer
Zeitverlauf des Stromes durch die Magnetspule 23 erreicht, als dies unter Berücksichtigung
der zulässigen Belastung der Magnetspule mit einer einfachen Kondensator-Entladung
möglich wäre.
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Zu Beginn der Entladung der Elektrolytkondensatoren ist die Reihenschaltung
der drei Kondensatorstufen 24, 25, 26 wirksam. Dadurch ergibt sich eine verhältnismäßig
kleine Kapazität von etwa 570 /uF und die hohe Spannung von anfänglich 270 Volt
sinkt sehr schnell ab. Wenn die erste Kondensatorstufe 26 vollständig entladen ist,
wird die Diode D5 leitend und überbrückt die erste Kondensatorstufe. Dadurch ist
jetzt nur noch die Reihenschaltung aus der zweiten und der dritten Kondensatorstufe
25, 26 wirksam, so daß die Kapazität auf etwa 1330 ,uF ansteigt. Die Spannung an
der Magnetspule beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 112 Volt und sinkt aufgrund der
höheren Kapazität jetzt langsamer ab.
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Nach vollständiger Entladung der zweiten Kondensatorstufe 25 wird
auch diese überbrückt. Hierzu dient die Diode D4. Die Kapazität wird jetzt nur noch
durch die dritte Kondensatorstufe 26 bestimmt und steigt somit
auf
4000 uF an. Damit wird das Absinken der an der Magnetspule 23 anliegenden Spannung,
die jetzt etwa 45 Volt beträgt, noch weiter verlangsamt.
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Zum Schutz des Thyristors 14 vor in der Magnetspule erzeugten Induktionsspannungen
dient eine die Magnetspule 23 überbrückende Schutzdiode 31.