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Verfahren zum Regeln einer Widerstandslast mit Tempcraturkoeffi-
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zent und Schaltung für die Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Widerstandslast, die aus einem Widerstandsmaterial
mit einem Temperaturkoeffizent besteht, mittels eines Leistungsteligliedes im Stromkreis
der Widerstandslast, das Halbleiterschalter enthält und durch Steuerimpulse nach
dem Taktprinzip periodisch geschaltet wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Meßschaltung für die Durchführung
des Verfahrens.
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Durch die DE-OS 27 34 549 ist eine Anordnung zum zeitlichen Steuern
des Aufheizstromes bei Heizleiterwiderständen, mithin einer Widerstandslast aus
einem Material mit positivem Temperaturkoeffizient, bekannt, mit welcher ein Verfahren
der eingangs angegebenen Art durchgeführt wird. Dabei wir die Heizleistung durch
Zweipunktregelung eines Wechselstromes gesteuert mittels eines nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip
geschalteten Leistungsstellgliedes, das durch Steuerimpulse jeweils bei den Polaritätswechseln
des Wechsel stromes eingeschaltet wird, durch Modulation der Impulsbreite der Steuerimpulse
in Abhängigkeit von der Heizleitertemperatur überlagert von einem den Regel zustand
der Zweipunktregelung darstellenden Signal, so daß das Leistungsstellglied mit einer
durch die Zweipunktregelung bestimmten zeitlichen Schaltfolge geschaltet wird. Bei
diesem Verfahren wird die Heizleitertemperatur mittels thermoelektrischer Wandler
gemessen, wofür kompensatoren und Verstärker oder dergleichen Mittel eingesetzt
werden.
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Eine Anordnung für quasistetige Leistungsregelung zur Durchführung
des eingangs angegebenen Verfahrens, wobei die Heizleistung ebenfalls einem Wechselstromnetz
entnommen und mittels eines nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip geschalteten Leistungsstellglieds
geregelt wird, ist bekannt durch DE-PS 24 24 767. Diese Anordnung enthält einen
Leistungsregler mit Erfassung des Heizstromes und der Heizlastspannung im Laststromkreis
und einen dem Leistungsregler übergeordneten Temperaturregelkreis, in welchem die
Heizleitertemperatur gleichfalls mittels themoelektrischer Wandler gemessen wird.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung (DE-PS 26 19 101), die zum
Konstanthalten der Betriebstemperatur eines Heizleiters mittels eines im Stromkreis
des Heizleiters liegenden, nach dem Phasenanschnittprinzip gesteuerten Leistungsstellglieds
mit Halbleiterschaltern vorgesehen ist und die auch zur Durchführung des eingangs
angegebenen Verfahrens mittels eines nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip geschalteten
Leistungsstellgliedes geeignet ist, wird die Zeitdauer, während der das Stellglied
stromleitend ist, in Abhängigkeit von einem die Heizleitertemperatur nach dem Widerstandswert
des Heizleiters steuernden Regler verändert. Dies geschieht mit Hilfe einer Vergleichseinrichtng,
die aus zwei, einmal den Heizleiterstrom und einmal die Heizleiterspannung als entgegengesetzt
gepolte Meßgrößen, über je einen Meßwandler und eine Gleichrichterschaltung erfassenden
Meßkanälen, die zusammengeführt sind und dem Eingang eines als Regler ausgebildeten
Vergleichers zugeführt sind, von dessen Ausgang das Leistungsstellglied gesteuert
wird. Sind die zugeführten erwähnten Meßgrößen bei einer gewünschten stationär gewordenen
Heizleitstromtemperatur auf gleiche Amplituden eingestellt worden, dann werden die
Zeitflächen der Meßgrößen in einem bestimmten Verhältnis zueinander gleichgroß geregelt
und damit die Heizleitertemperatur auf dem gewünschten Sollwert gehalten.
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Auf diese Weise kann die Heizleitertemperatur nach dem Widerstandswert
des Heizleiters kontinuierlich, d. h. ständig gemessen werden, auch dann, wenn eine
geringe Leistung dem Heizleiter zugeführt wird. Dies geschieht mittels eines nach
dem Phasenanschni1tgrir,ip gesteuerten Leistungsstellers unter Einhaltung eines
Steuerwinkels von nahezu
1800 el (hintere Endlage der Steuerimpulse).
Hiervon ausgehend wird der Steuerwinkel, wenn die Heizleitertemperatur einen bestimmten
Wert unterschreitet, im gegenregelnden Sinne verringert.
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Mit einem nach dem Taktprinzip gesteuerten Leistungssteller ist eine
derartige ständige Temperaturmessung nicht möglich.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt,
auch für die Durchführung des eingangs angegebenen Regel verfahrens, bei dem gemäß
Oberbegriff des Anspruchs 1 die Einschaltzeitdauer eines nach dem Taktprinzip gesteuerten
Leistungsstellers in Abhängigkeit von einem die Temperatur einer Widerstandslast
nach dem Widerstandswert steuernden Regler verändert wird, ein Verfahren für eine
der ständigen Temperaturmessung gleichwirkenden Messung ohne Zuhilfenahme zusätzlicher
Mittel aufzuzeigen und eine Schaltung zur Durchführung zu schaffen. Im Falle der
Stromversorgung einer Widerstandslast mit Wechselstrom und des Schaltens des Leistungsstellglieds
nach dem Vollwellen-Taktprinzip ist entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung
die Zeitdauer, während der das Leistungsstellglied jeweils zunächst kurzzeitig stromleitend
eingeschaltet ist, wenigstens eine Wechselstromperiode lang (Patentanspruch 2).
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Die Lösung der Aufgabe, eine Schaltung zur Durchführung der Verfahren
für die TempPraturmessung nach den Ansprüchen 1 und 2 (tastende Temperaturmessung)
zu schaffen, mittels einer das Leistungsstellqlied nach dem ohmschen Widerstand
der Last steuernden Verglei.chseinrichtung bekannter Art, welche 2 Meßkanäle und
einen Vergleicher enthält, besteht erfindungsgemäß entsprechend den im Patentanspruch
3 gekennzeichneten Merkmalen darin, daß der Ausgang einer Rechteckimpulse für erzwungene
kurzzeitige Einschaltung des Leistungstellgliedes abgebenden Zeittaktgebers über
eine Entkopplungsdiode mit den zusammengeführten Meßkanälen (2', 1') und dem Eingang
des Vergleichers verbunden ist.
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Die übrigen Unteransprüche betreffen weiteren Ausgestaltungen der
Erfindung entsprechende Varianten der Schaltung zur Durchführung der Verfahren für
eine tastende Temperaturmessung, die aus der nachstehenden
Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervorgehen.
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Vorteile der Erfindung werden vor allem darin gesehen, daß die Schaltung
zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 sowie jede der erwähnten Varianten
dieser Schaltung als einfacher Zubehörstein für ein nach dem Taktprinzip periodisch
geschaltetes Leistungsstellglied und die zugeordnete steuernde Vergleichseinrichtung
realisierbar und einsetzbar ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
und sind nachstehend beschrieben.
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Es zeigen Figur 1 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung, Figur 2 eine Variante der Schaltung nach Figur 1, Figur 3 Diagramme
zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 2.
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In den Figuren 1 bis 3 sind gleiche Elemente und gleiche Größen mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Schaltung nach Figur 1 ist in den Grundzügen wiedergegeben. Sie
umfaßt eine einem Leistungsstellglied, mit dem die Temperatur eines Heizleiters
nach dem Widerstandswert konstant geregelt wird, zugeordnete Vergleichseinrichtung,
die, wie an sich bekannt, aus je einem den Heizleiterstrom i und die Heizleiterspannung
u als entgegengesetzt gepolte Meßgrößen erfassenden Meßkanal 2' und 1' besteht,
durch welche die Meßgrößen über je einen Meßwandler 2 bzw. 1 und je eine Gleichrichterbrücke
G2 bzw. G1 sowie je einen Widerstand r2 bzw. rl in einem Vergleichspunkt V zusammengeführt
sind und dem Eingang eines Komparators 3 zugeführt sind. Der Meßwandler 2' für den
Heizleiterstrom und die Gleichrichterbrücke G2 sind mit einem Bürdenwiderstand B2
abgeschlossen.
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Das Leistungsstellglied St, eine Gegenparallelschaltung von zwei Thyristoren,
die
im Stromkreis des Heizleiters H liegt, wird durch den als Regler ausgebildeten Komparator
3 mittels einer Steuereinheit 4 geschaltet. Der Vergleichseinrichtung ist ein Rechteckimpulse
P für eine erzwungene Einschaltung des Leistungsstellgliedes abgebender Zeittaktgeber
5 (Timer) zugeordnet, dessen Ausgang über eine Entkopplungsdiode 6 mit dem Vergleichspunkt
V und dem Eingang des Komparators 3 verbunden ist.
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Mit Hilfe der beschriebenen Schaltung wird bei der Durchführung des
eingangs angegebenen Verfahrens zum Konstantregeln der Temperatur des Heizleiters
H durch Regelung nach dessen Widerstandswert w eine tastende Messung des Istwertes
der Temperatur durchgeführt.
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Dies geschieht dadurch, daß der Zeittaktgeber 5 für die Abgabe von
rechteckförmigen Taktimpulsen eingerichtet ist, die mit einem bestimmten gleichbleibenden
Zeittakt abgegeben werden und jeweils eine im Vergleich zur Taktzeit kurze Impulsdauer
haben, beispielsweise zwei Wechselstromperioden lang im Falle einer Stromversorgung
des Heizleiters H mit Wechselstrom, wobei das Leistungsstellglied St nach dem Vollwellen-Taktprinzip
jeweils bei den Polaritätswechseln des Wechsel stromes geschaltet wird. Die Taktimpulse
des Zeittaktgebers werden über die Diode 6, den Vergleichspunkt V und den Komparator
3, den Thyristoren des Stellglieds St zugeführt.
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Dadurch wird das Stellglied jeweils z. B. zwei Wechselstromperioden
lang eingeschaltet, und es werden während der Einschaltzeitdauer der Heizleiterstrom
i und die Heizleiterspannung u durch Vergleich der Amplituden ihrer durch die Meßkanäle
1', 2' in V entgegengesetzt polar zusammgengeführten Meßgrößen mittels des Komparators
3 miteinander verglichen. Dabei wird der Ist-Widerstandswert w des Heizleiters nur
angenähert erfaßt, solange die Amplituden der Meßgrößen erheblich unterschiedlich
sind. Sind die Amplituden aber nahezu gleich, so wird der Widerstandswert W durch
Messung von w = uJ u Iii in erster Nährung erfaßt. Andererseits wird ein bestimmter
Sollwert des Heizleiterwiderstandes wO entsprechend der gewünschten konstant zu
regelnden Temperatur mit Hilfe eines Bewertungswiderstandes in einem der Meßkanäle
bei Gleichheit der Amplituden der Meßgrößen vorgegeben. Ist bei dem Vergleich der
Meßgrößen die Amplitude der Meßgröße des Heizleiterstromes größer als die Amplitude
der Meßgröße der Heizleiterspannung (w ( wO), dann gibt der
Komparator
3 ein rechteckförmiges Stellsignal an den Leistungssteller St, das länger als ein
Taktimpuls des Zeittaktgebers 5 ist, wodurch St entsprechend länger stromleitend
eingeschaltet bleibt, so lange, bis die Amplitude der Strom-Meßgröße kleiner als
die Amplitude der Spannungs-Meßgröße wird. Im Gegenfalle (w > wO) gibt der Komparator
kein Stellsignal ab, so daß St nach dem Ende des Taktimpulses ausgeschaltet wird
und bleibt, bis w 4 wO wird.
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In der Messung des Heizleiterwiderstandes w und damit der Temperatur
gehen nach diesem Verfahren Schwankungen der Betriebs spannung uB des Heizleiters
vorteilhaftsweise nicht ein.
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Die Schaltung nach Figur 1 zur Durchführung des vorangehend beschriebenen
Verfahrens hat verschiedene Varianten. Diese unterscheiden sich von der Grundschaltung
(Figur 1) dadurch, daß die gleichgerichtete Betriebsspannung anstelle der Meßgröße
der Spannung u der Widerstandslast mit zur Meßgröße des Laststromes i entgegengesetzter
Polarität der Vergleichsstelle V zugeführt wird, wodurch ein Meßwandler (1) eingespart
wird. Von dieser Variante gibt es eine Untervariante, bei der 2 Spitzengleichrichterschaltungen
in den Meßkanälen 1' und 2' verwendet sind, eine hiervon im Meßkanal 1' ist dem
Brückengleichrichter G1 nachgeordnet und zur Bürde B1 parallelliegend, die zweite
im Meßkanal 2' bewirkt die Gleichrichtung der Betriebsspannung u. Mit dieser Variante
werden Spitzenwerte i und u verglichen, wodurch die betreffende Schaltung besonders
für eine Widerstandslastregelung mittels schaltender (taktender) Leistungsstellglieder
geeignet ist.
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Eine weitere Variante ist in Figur 2 dargestellt. Bei dieser wird
die Betriebsspannung uB über eine Spitzengleichrichterschaltung rl, D1, C1, rl,
r12 im Meßkanal 1' und die Meßgröße des Laststromes i durch G2, r2 im Meßkanal 2'
der Vergleichsstelle V zugeführt. Mittels des Komparators 3 werden diese miteinander
verglichen. Der Ausgang des Komparators oder Vergleichers ist über eine Diode D3
mit einem Eingang eines zweiten Zeittaktgebers 5' verbunden. Dessen Ausgang ist
über eine Entkopplungsdiode 6' mit dem Ausgang des Zeittaktgebers 5 nach Figur 1,
der die rechteckförmigen Taktimpulse P für erzwungene Einschaltung des Steliglieds
St abgibt. Bei dieser Schaltung werden die
Impulse des Timers 5
im Unterschied zur Schaltung nach Figur 1 unmittelbar den Thyristoren des Stellgliedes
ohne Impulsverstärkung zugeführt, wohingegen durch die Stellsignale des Vergleichers
der Taktgeber 5' angetriggert wird, welcher einen die Taktimpulse von 5 verlängernden
Stell- oder Zündimpulse I jeweils dann erzeugt, wenn am Ausgang des Vergleichers
Stellsignale auftreten.
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Zu diesem Zweck ist 5' eine retriggerbare monostabile Kippstufe mit
einer Rückkippzeit1 , die länger als eine Halbperiode des Betriebswechselstromes
ist. Die Stellsignale treten bei den Maxima des Laststromes i so lange auf, als
diese Maxima größer als der Gleichrichterspitzenwert 1 u Isind. Die Wirkungsweise
der Schaltung ist anhand der 6 Diagramme von Figur 3 ersichtlich, wo die zeitlichen
Verläufe der Meßgröße von i (Diagramm a), der gleichgerichteten Betriebsspannung
u = 1 ul (Diagramm b), die Stellsignale s am Ausgang von 3 (Diagramm c), die Triggerimpulse
tr des Taktgebers 5' (Diagramm d), die Stellimpulse I am Ausgang von 5' (Diagramm
e) und die Taktimpulse P von 5 (Diagramm f) dargestellt sind. Vor dem mit t0 markierten
Zeitpunkt sind die Maxima der Meßgröße des Laststromes i größer als der konstang
glatt dargestellte Gleichrichterspitzenwert u der Meßgröße der Betriebsspannung
UE, wobei der Widerstandswert w der Widerstandslast kleiner ist als der Sollwert
wO, welcher der konstant zu regelnden Temperatur 4t entspricht. Die Nullinie O und
Zeitachse des Diagramms a) für i ist koinzident mit dem hierzu gegenpolaren konstanten
Wert u von up gezeichnet. Somit wird vor dem Zeitpunkt to der Taktgeber 5' mit Triggersignalen
tr angetriggert (Diagramm c und d). Im Zeitpunkt t wird die Meßgröße von i kleiner
als die von ii (w ) wO), so daß die Triggersignale aufhören und folglich der Stellimpuls
I verschwindet (Diagramm d und e). Solange der Zustand w zu wO andauert, wird das
Stellglied jeweils kurzzeitig durch die Taktimpulse P für eine tastende Vergleichsmessung
zwangsweise eingeschaltet, und es bleiben die Stellimpulse I weiterhin aus.
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Die Schaltung nach Figur 2 ist für zur Temperatursteuerung und Temperaturregelung
bestimmte taktende Leistungssteller einsetzbar, die steuerungstechnisch und leistungsmäßig
für Widerstandslasten verschiedener Art, wie z. B. Transformatorlasten ausgeführt
sein können.
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