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Bezeichnung: Lehrgerät für Regelungstechnik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lehrgerät für Regelungstechnik
mit einem.durchsichtige Wände und eine Skaleneinteilung aufweisenden, wasserdichten
Demonstrationsbehälter und mit einem Vorratstank für eine Flüssigkeit, der unterhalb
des Demonstrationsbehälters angeordnet und mit diesem einerseits über eine Förderleitung,
in der eine Pumpe vorgesehen ist, und andererseits über eine Rücklaufleitung, in
die ein Ventil eingefügt ist, verbunden ist.
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Zweck derartiger Lehrgeräte, die auch Regelstreckenmodell genannt
werden, ist es, die Eigenschaften von Regel strecken optisch anhand des Flusses
in und aus dem Demonstrationsbehälter und des Flüssigkeitsniveaus im Demonstrationsbehälter
anschaulich darzustellAn. Anhand dieser Bewegungsabläufe der deutlich sichtbaren,
meist stark angefärbten Flüssigkeit erkennt der Lernende Zusammenhänge zwischen
den in der Regelungstechnik wichtigenßen, wie sie si anhand von praktischen, zumeist
eine auigefeilte Elektronik oder Mechanik aufweisenden Regelschaltungen nicht ohne
weiteres verstehen lassen. d Das Lehrgerät für Regelungstechnik der eingangs genannten
Art ist als Prozeßausrüstung CA 11 00 der schwedischen Firma TERCO bekannt. Bei
diesem Lehrgerät ist der Demonstrationsbehälter durch ein schlankes, relativ langes
Rohrstück aus durchsichtigem Kunststoff gebildet, das unten auf eine Bodenplatte
dicht
aufgesetzt ist. In dieser Bodenplatte mündet die Rücklaufleitung, während die Fördrleitung
von oben axial in den nach oben offenen, zylindrischen Demonstrationsbehälter hineinreicht.
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Bei praktischen Lehrversuchen wird dem Demonstrationstank über die
Förderleitung in vorgegebener, gewünschter zeitlicher Abhängigkeit Flüssigkeit zugeführt,
die den Behälter mehr oder weniger anfüllt.und in gewünschter, zeitlicher Abhängigkeit
über die Rücklauf leitung aus dem Behälter wieder abströmt. Erfaßt wird nun in bestimmten,
zeitlichen Abständen der Pegelstand der Flüssigkeit im Demonstrationsbehälter.
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Um den Pegelstand ablesen zu können, ist der Demonstrationsbehälter
mit einer Skaleneinteilung versehen. An dieser wird in gewissen zeitlichen Abständen
der Pegelstand abgelesen, die ermittelten Werte paarweise in einer Wertetabelle
zusammengefaßt oder unmittelbar in einem Zeitdiagramm aufgetragen.
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Erhalten wird dabei eine Darstellung der zeitlichen Abhängigkeit des
Pegelstandes, der als Ordinate in rechtwinkligen Parallelkoordinaten aufgetragen
wird, während die Abszisse die Zeitachse bildet.
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Das Erfassen der einzelnen Pegel stände zu gewissen Zeitpunkten einschließlich
des Aufzeichnens der gewünschten, zeitlichen Abhängigkeit hat sich in der Praxis
jedoch als nachteilig erwiesen. Dabei treten besonders häufig Ablese-und Übertragungsfehler
beim Messen und Einzeichnen des Pegelstandes auf. Entscheidend ist hierbei insbesondere,
daß es nicht gelingt, die Meßwerte gleichzeitig zu erfassen, maßstabsmäßig umzurechnen
und graphisch darzustellen. Bei der praktischen Durchführung des Lehrversuchs wird
daher im allgemeinen zunächst der geplante Versuch durchgeführt, anschließend werden
die gemessenen Werte aufbereitet und graphisch
dargestellt. Mit
anderen Worten kann der Lernende nicht unmittelbar die Entstehung und den Verlauf
der zeitlichen Abhängigkeit des Pegelstandes mitverfolgen. Obwohl das bekannte Lehrgerät
als solches sehr deutlich die Eingangsgröße, den momentanen Wert der Regelgröße
und die Ausgangsgröße erkennen läßt, fehlt die entsprechende, anschauliche Brücke
zur später erstellten, graphischen Darstellung.
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Hier setzt die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die
Nachteile des bekannten Lehrgerätes für Regelungstechnik zu vermeiden, seine Vorteile
jedoch beizubehalten und ein Lehrgerät für Regelungstechnik mit den Merkmalen der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Erstellen der graphischen Darstellung
des zeitlichen Verhaltens beliebiger Regelstrecken und -kreise vereinfacht, anschaulicher
und fehlersicherer wird.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von dem bekannten Lehrgerät der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß der Demonstrationsbehälter eine durchsichtige,
ebene, rechteckförmige Frontplatte hat und daß die Skaleneinteilung durch ein transparentes,
außen auf dieser Frontplatte lösbar befestigtbares Blatt gebildet ist, das eine
Strichteilung aufweist. Der entscheidende Vorteil liegt hier in der unmittelbaren
Kombination des Demonstrationsbehälters mit relativ großer Frontwand und des durchsichtigen
Blattes. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, den Pegelstand abzulesen, gegebenenfalls
maßstablich zu verändern und anschließend graphisch aufzutragen, vielmehr ist nur
noch der zu einem gewissen Zeitpunkt hinter dem Blatt deutlich sichtbare Flüssigkeitsspiegel
auf dem Blatt zu markieren, ohne daß der Wert des Pegels selbst erfaßt werden müßte.
Das Blatt ist vorzugsweise in vertikale, gleich beabstandete Linien eingeteilt,
zu den einzelnen Meßzeitpunkten
wird schrittweise das Flüssigkeitsniveau
auf der jeweils geltenden, vertikalen Linie markiert. Insgesamt wird sofort, noch
während des Ablaufs des Regelversuchs, die gewünschte graphische Darstellung erstellt,
wodurch erfahrungsgemäß auch das Einzeichnen des Funktionsverlaufs, also der die
markierten Punkte verbindenden Kurve besser und wirklichkeitstreuer gelingt. Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lehrgeräts liegt nun im weiteren darin,
daß die erhaltene, graphische Darstellung, die sich auf dem transparenten Blatt
befindet, vom Demonstrationsbehälter abgenommen und auf einen Overhead-Projektor
gelegt werden kann. Auch eine größere Anzahl von Lernenden kann somit das Versuchsergebnis,
nämlich die graphische Darstellung, deutlich und unmittelbar nach Versuchsabschluß
sehen. Dies trägt wesentlich zum Lernerfolg bei, da die Zuordnung der zuvor gesehenen
Pegel schwankungen zur erzielten, graphischen Darstellung besser, unmittelbarer
und einleuchtender ist.
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In bevorzugter Ausbildung hat die Frontwand des Demonstrationsbehälters
eine Größe, die es erlaubt, ein DIN A4 Normblatt aufzunehmen und zu befestigen.
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In bevorzugter Ausführung ist der Demonstrationsbehälter quaderförmig.
Seine Wände und sein Boden sind aus einem durchsichtigen Material, insbesondere
Kunststoff, gefertigt.
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Die Breite der Frontwand ist mindestens fünfmal so groß wie die Tiefe
der benachbarten Seitenwände. Der Demonstrationsbehälter hat somit eine geringe
Tiefe, die zahlenmäßig deutlich unter seiner Höhe und insbesondere seiner Breite
liegt.
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In weiterhin bevorzugter Ausführung ist der Demonstrationsbehälter
durch eine quer zur Frontwand verlaufende, vertikale Trennwand in zwei separate
Kammern unterteilt. Diese können
über einen Stellschieber miteinander
kommunizieren. In vorzugsweiser Ausbildung wird dieser Stellschieber durch eine
Bodenöffnungen in jeder Kammer verbindende Leitung gebildet, in die ein Stellventil
eingeschaltet ist. Hierdurch lassen sich zweistufige Regel strecken und -kreise
simulieren, entsprechende Möglichkeiten bietet das vorbekannte Lehrgerät nicht.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Ablaufleitung
seitlich in den Demonstrationsbehälter und wenige Millimeter oberhalb seines Bodens
in den Demonstrationsbehälter münden zu lassen. Dadurch bleibt während der praktischen
Lehrversuche stets ein gewisser Flüssigkeitsspiegel, dem hier der Ordinatenwert
Null zugeordnet wird, im Demonstrationsbehälter. Hierdurch werden Probleme bei der
Benetzung des Behälterbodens vermieden, weiterhin ergibt sich auf dem Blatt die
Möglichkeit, die x-Achse in bequemer Entfernung unterhalb des unteren Papierrandes
des Blattes aufzutragen.
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Vorgeschlagen wird, in der Rücklauf leitung ein regelbares Ablaßventil
anzuordnen. Über dieses Ablaßventil wird der den Demonstrationsbehälter verlassende
Fluß an Flüssigkeit vorgegeben, in Abhängigkeit von einer entsprechenden Einstellung
der Eingangsgröße wird erreicht, daß sich der anschaulich zu machende Regelvorgang
innerhalb der Höhe des Demonstrationsbehälters abspielt.
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Als sehr vorteilhaft hat sich eine nicht absperrbare Überlaufleitung
erwiesen, die in Nähe des oberen, offenen Randes des Demonstrationsbehälters in
diesen mündet und mit dem Vorratstank verbunden ist. Auch bei Fehlbedienungen wird
vermieden, daß die Flüssigkeit oben über den offenen Rand
des Demonstrationsbehälters
überlaufen kann. Um nur im wesentlichen eine Rücklaufleitung vorsehen zu müssen,
mündet die Überlaufleitung vorzugsweise hinter dem regelbaren Ablaßventil in die
Rücklaufleitung.
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In weiterer, vorzugsweiser Ausbildung mündet eine erste Förderleitung,
in die ein Absperrventil eingeschaltet ist, wenige Millimeter oberhalb des Bodens,
vorzugsweise in Höhe der Ablaufleitung und möglichst weit von dieser entfernt, in
den Demonstrationsbehälter. Unter diesen Gegebenheiten ist der eingeförderte Fluß
abhängig vom hydrostatischen Druck, also von der jeweiligen Pegelhöhe im Demonstrationsbehälter.
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Dies kann für viele Regelversuche günstig ausgenutzt werden.
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Die möglichst große Entfernung zwischen der Förderöffnung und der
Ablauföffnung wirkt der Ausbildung eines Gefälles im Flüssigkeitsspiegel entgegen.
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Weiterhin ist vorzugsweise eine zweite Förderleitung vorgesehen, in
die ein Rückschlagventil und ein Absperrventil eingefügt sind und die in Nähe des
oberen, offenen Randes des Demonstrationsbehälters in diesen eingeführt, in Richtung
zum Boden gewinkelt ist und wenige Millimeter oberhalb des Bodens endet. Über diese
zweite Förderleitung kann unabhängig vom jeweiligen Pegelstand, also unabhängig
vom hydrostatischen Druck, Flüssigkeit in den Demonstrationsbehälter eingeleitet
werden.
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Für eine Regelung des Pegelstandes ist der Demonstrationsbehälter
vorzugsweise mit einem Niveaufühler ausgestattet, vorzugsweise wird dieser durch
zwei, in gleicher Höhe durch die Wandung in das Behälterinnere geführte Kontakte
gebildet, deren Übergangswiderstand sich ändert, wenn sie beide mit Flüssigkeit
benetzt werden. Für die praktischen Versuche
hat sich ein kontinuierlich
arbeitender Pegelmesser besonders bewährt. Er mißt vorzugsweise den Luftdruck und
wandelt dcn gemessenen Druckwert in ein elektrisches Signal um, das wiederum in
ein Übertragungsglied eingespeist werden kann. In der praktischen Ausführung ragt
eine nach unten offene Leitung des Druckfühlers in den Innenraum des Demonstrationsbehälters
und endet wenige Millimeter oberhalb der Nullinie des Flüssigkeitsniveaus. Durch
letztere Maßnahme wird sichergestellt, daß die zum Druckmeßgerät führende Leitung
völlig entleert wird, wenn der Flüssigkeitspegel auf Null herabfällt.
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Dadurch kann sich das Druckmeßgerät jeweils auf den Ausgangsdruckwert,
der durch den äußeren Luftdruck bestimmt wird, einstellen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Lehrgerätes für Regelungstechnik lassen
sich praktisch alle gängigen Schaltungen nachbauen und ihr zeitliches Verhalten
studieren. Es lassen sich beliebige Regler hinzufügen, deren Regelverhalten anhand
des zeitlichen Verlaufs des Pegelstandes im Demonstrationsbehälter erfaßt und graphisch
dargestellt werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmal der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von vier nicht einschränkend zu
verstehenden Ausführungsbeispielen. Auf diese wird im folgenden und unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher eingegangen. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische,
teilweise perspektivische Darstellung einer Füllstandsregelung mit Zwei-Punktregler,
Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Figur 1 einer PID-Füllstandsreqelung mit Druck-Spannungs-Wand-1er,
Fig.
3 eine Darstellung entsprechend Figur 2 einer PID-Füllstanasregelung mit Störgrößenaufschaltung
und Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Figur 2 einer Regelung einer Strecke vierter
Ordnung mit P-Regler.
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In den Figuren ist jeweils mindestens ein quaderförmiger Demonstrationsbehälter
20 gezeiqt, dessen Wände 22, 24, 26 und 28 und dessen Boden 30 aus glasklarem Kunststoff
(Acrylglas) gefertigt und wasserdicht miteinander verbunden sind. Die Frontwand
22 ist frei von Anschlüssen, Zu- oder Ableitungen, so daß der Demonstrationsbehälter
20 vom Lernenden möglichst rasch begriffen und erfaßt werden kann. Auf die Frontwand
22 wird ein in Figur 2 eingezeichnetes Blatt 32 lösbar geheftet, das parallele,
vertikale Stricheinteilungen trägt. Dieses Blatt hat DIN-A4-Format und bestimmt
die Größe der Frontwand 22, die ringsum etwas größer ist als das Blatt 32.
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Der Demonstrationsbehälter 20 ist mit seiner Rückwand 24 an eine vertikale
Platte 34 gelegt und wird von dieser getragen.
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Sie ist undurchsichtig und deckt für das praktische Funktionieren
des Lehrgerätes wichtige, für das Verständnis einer Regelstrecke aber unnötige Teile
des Lehrgerätes ab. Zu diesen Teilen gehören ein Vorratstank 36 für die Flüssigkeit
und eine diesem zugeordnete, selbst ansaugende Pumpe 38. Der.
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Vorratstank 36 ist über eine Förderleitung 40, in der die Pumpe 38
eingefügt ist, mit zwei Einlässen in der linken Seitenwand 26 des Demonstrationsbehälters
verbunden. Hierzu ist die Förderleitung 40 in Nähe des Demonstrationsbehälters 20
aufgezweigt in eine erste Förderleitung 42, in der ein Absperrventil 44 vorgesehen
ist und die wenige Millimeter oberhalb des Bodens 30 in den Demonstrationsbehälter
20 mündet
und in eine zweite Förderleitung 46. In dieser ist ein
Rückschlagventil 48 und parallel geschaltet hierzu ein Absperrventil 50 vorgesehen.
Die zweite Förderleitung 46 tritt in Nähe des oberen, offenen Randes durch die linke
Seitenwand 26 und ist nach unten abgebogen. Sie endet wenige Millimeter oberhalb
des Bodens 30. Wenn das Absperrventil 44 geschlossen ist, muß die von der Pumpe
38 geförderte Flüssigkeit den höheren, hydrostatischen Druck in der zweiten Förderleitung
46 überwinden.
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Weiterhin ist der Vorratstank 36 über eine Rücklauf leitung 52 mit
dem Demonstrationsbehälter 20 verbunden, der Rücklauf erfolgt durch Öffnungen in
der rechten Seitenwand 28. In allen gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgt der
Rücklauf mit hydrostatischem Sog, er kann aber auch drucklos ausgeführt werden,
wenn die Rücklaufleitung 52 in Höhe der unteren Rücklauföffnung der rechten Seitenwand
28 einen freien Auslauf hat, unter dem sich ein Trichter befindet, der die Rücklauf
leitung 52 zum Vorratstank 36 hin fortsetzt. Auf Grund dieser Unterbrechung bewirkt
die Flüssigkeitssäule in der Rücklaufleitung 52 keinen Sog.
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Wie die Figuren zeigen, mündet die Rücklauf leitung 52 seitlich und
wenige Millimeter oberhalb des Bodens 30 in den Demonstrationsbehälter 20. In sie
ist ein regelbares Ablaßventil 54 eingefügt, mit dem die zeitlich abfließende Flüssigkeitsmenge
(der Fluß) vorgegeben werden kann. Oberhalb des Eintritts dieser Rücklaufleitung
42 und in derselben Seitenwand 28 befindet sich in Nähe des oberen Randes ein Einlauf
einer Überlaufleitung 56, die hinter dem Ablaßventil 54 in die Rücklaufleitung 52
mündet.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Demonstrationsbehälter
stets durch eine vertikale, parallel zu den Seitenwänden 26, 28 verlaufende Trennwand
58 in zwei gleichgroße Kammern 60, 62 unterteilt. Diese stehen nur über eine Verbindungsstrecke
miteinander in Verbindung, die durch jeweils eine, durch eine Leitung 64 verbundene
Bodenöffnung in den Kammern 60, 62 gebildet wird und in die ein regelbares Ventil
66 eingeschaltet ist. Andere Ausbildungen sind möglich, beispielsweise kann die
Trennwand 58 als Schieber ausgeführt werden, der vertikal bewegbar ist und mit seinem
unteren Ende gegenüber dem Boden 30 den jeweils gewünschten Durchlaßquerschnitt
zwischen beiden Kammern 60, 62 begrenzt.
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Im folgenden wird kurz auf die einzelnen Regelschaltungen der Figuren
1 bis 4 eingegangen. Da die Schaltungen für sich bekannt sind, soll auf sie nicht
ausführlich eingegangen werden. Anhand der folgenden Beschreibung werden jedoch
die Funktion und der Aufbau einzelner Zusatzteile besonders deutlich: In Figur 1
ist eine Füllstandsregelung mit Zweipunktregler gezeigt. Die Pumpe 38 fördert Flüssigkeit
aus dem Vorratstank 36, so lange der Pegel in der linken Kammer 60 sich unterhalb
von zwei stiftförmigen Kontakten 68 befindet, die auf gleicher Höhe in den Demonstrationsbehälter
20, vorzugsweise durch die linke Seitenwand 26 oder die Frontwand 22, hineinragen.
Erreicht der Pegel das Niveau dieser Kontakte 68, so ändert sich auf Grund der Leitfähigkeit
der verwendeten Flüssigkeit der Ohm'sche Widerstand zwischen den beiden Kontakten
68. Dieser Widerstand wird über einen Schaltverstärker 70 erfaßt, der die Pumpe
38 abschaltet, wenn das Niveau der Kontakte 68 erreicht wurde, und wieder einschaltet,
sobald die Kontakte 68 frei von Flüssigkeit sind. Die Pegelschwankungen
der
linken Kammer 60 werden mit denjenigen der rechten Kammer 62 verglichen, die über
die Leitung 64 miteinander verbunden sind. Dabei lassen sich auch Phasenverschiebungen
zwischen den zeitlichen Änderungen der Pegel in beiden Kammern 60, 62 beobachten.
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Der in Figur 2 gezeigte PID-Füllstandsregler hat einen kontinuierlich
arbeitenden Druck-Spannungs-Wandler 70, der über ein Meßrohr 74, das wenige Millimeter
oberhalb des Bodens 30 endet, in die rechte Kammer 62 eingreift und den Luftdruck
im Meßrohr 74 erfaßt. Der in eine Spannung umgewandelte Druckwert wird einem PID-Regler
als Regelgröße X zugeführt. Am PID-Regler 76 kann eine Führungsgröße W angelegt
werden.
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In der Schaltung gemäß Figur 3 einer PID-Füllstandsreglung wird zusätzlich
zur Schaltung gemäß Figur 2 eine Störgröße aufgeschaltet. Hierzu ist zusätzlich
in der Rücklaufleitung 52 ein Durchfluß-Spannungswandler 78 eingeschaltet, dessen
Ausgangsspannungssignal dem PID-Regler 76 zugeleitet wird.
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Schließlich ist in Figur 4 die Regelung einer Strecke vierter Ordnung
erläutert. Hier sind zwei Demonstrationsbehälter 20 hintereinandergeschaltet, so
daß insgesamt vier Kammern zur Verfügung stehen. Die beiden Demonstrationsbehälter
20 sind über ein Regelventil 80 und ihre Rücklauf- bzw. Förderöffnungen miteinander
verbunden. Ansonsten stimmt die Schaltung mit der Schaltung gemäß Figur 2 mit einer
Ausnahme, anstelle eines PID-Reglers 76 ist ein P-Regler 82 vorgesehen, überein.
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Nicht unerwähnt soll noch eine Alternativlösung der eingangs gestellten
Aufgabe bleiben. Hier wird, um unmittelbar eine
Übertragung und
Markierung des jeweiligen Pegelstandes im Demonstrationsbehälter zu ermöglichen,
von dem vorbekannten Lehrgerät mit zylindrischem Demonstrationsbehälter ausgegangen,
allerdings wird dieser Demonstrationsbehälter langsam während der Versuchdurchführung
gedreht. Wiederum wird ein transparentes Blatt auf die in diesem Fall zylindrische
Außenwand des Demonstrationsbehälters geheftet, auf diesem Blatt werden die Füllstände
markiert. Das Blatt dreht sich mit dem Demonstrationsbehälter, wobei angestrebt
wird, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit so mit den Intervallen der Meßzeit abgestimmt
ist, daß sich der zylindrische Demonstrationsbehälter jeweils zum nächsten, vertikalen
Teilstrich gedreht hat, wenn das nächste Zeitintervall abgelaufen ist.
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Diese Lösung erfordert jedoch eine zusätzliche Mechanik und führt
zu Problemen, wenn Zu- oder Ableitungen durch die zylindrische, gedrehte Wand geführt
werden sollen. Aus diesen Gründen wird die oben ausführlich erläuterte Hauptlösung
vorgezogen, dies soll jedoch nicht bedeuten, daß die Alternativlösung außerhalb
der vorliegenden Erfindung steht.
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