DE604797C - Einrichtung zum Regeln von physikalischen Vorgaengen - Google Patents

Description

In der Technik finden vielfach Apparate Verwendung, welche einen bestimmten Vorgang, z. B. den Temperaturverlauf eines Glühprozesses, auf einen gewünschten Sollwert regeln und gleichzeitig den tatsächlichen Verlauf aufzeichnen.

Bei bekannten Apparaten dieser Art sind an einem schreibenden Drehspulgalvanometer üblicher Bauart, etwa einem Fallbügelgerät, an bestimmter Stelle der Skala Kontakte angebracht. Diese Kontakte wirken als Minimal- und Maximalkontakte und veranlassen die Regelung. Bei diesen Geräten, die nach der Ausschlagsmethode arbeiten, ist jedoch dienotwendige Empfindlichkeit über den gesamten Skalenbogen nur auf Kosten der Betriebssicherheit zu erreichen. Dabei besteht immer die Gefahr, daß Störungen irgendwelcher Art, die bei dem empfindlichen Meßwerk gar nicht zu vermeiden sind, nicht nur die Aufzeichnung fälschen, sondern auch durch Regelung auf falsche Temperaturen zu Betriebsstörungen führen.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde ein grundsätzlich anderes Verfahren entwickelt, und zwar eine Nullmethode. Der von einem Thermoelement erzeugten EMK wird eine an einem Potentiometer abgegriffene, der Solltemperatur entsprechende Spannung entgegengeschaltet und das Meßwerk des Regelgerätes in diesen Stromkreis eingebaut, so daß bei Stromlosigkeit des Meßwerks der Zeiger in der Mitte steht und keinen Einfluß auf die Regeltätigkeit ausübt. Eine Ablenkung des Zeigers nach rechts oder links wird nur dann bewirkt, wenn die Temperatur und damit auch die EMK des Thermoelements zu hoch oder zu niedrig ist. Das Meßwerk arbeitet also als Nullgalvanometer; dadurch kann man dem Meßwerk ein Vielfaches der bei einem Ausschlagsmeßwerk erzielbaren Richtkraft geben. Bei hoher Richtkraft braucht man aber mit dem Gewicht des Zeigers nicht so ängstlich zu sparen und kann diesen so kräftig und stabil machen, daß er ohne weiteres die verhältnismäßig groben Kräfte des Hilfsantriebes für die Steuer- oder Kontaktorgane aushalten kann.

Ein solcher Apparat, der für die Regelung außerordentlich brauchbar ist, ist nun aber zur Aufzeichnung ganz ungeeignet. Es ist zwar versucht worden, durch das Nullgalvanometer auf Umwegen auch eine gleichzeitige Aufzeichnung zu erreichen. Diese Umwege machen jedoch den Apparat sehr kompliziert und teuer, so daß er seine ursprünglichen Vorzüge der Einfachheit und Robustheit wieder verliert.

Es erscheint demnacli die Kombination der Regelung und der Aufzeichnung in einem einzigen Gerät nicht lösbar, da der zu schließende Kompromiß stets die Lösung der einen oder anderen Aufgabe allzusehr beeinträchtigt oder das Gerät für die praktische Verwendung zu teuer wird. Man hat deshalb auch versucht, zwei vollständig voneineinder unabhängige, getrennt arbeitende Geräte zu verwenden. Dabei läßt man den Regler in der vorhin geschilderten Methode mit einem Nullmeßwerk arbeiten

und weist die Aufzeichnung einem besonderen Meßgerät zu. Bei dieser Anordnung zeigt sich aber, daß die Ablesegenauigkeit des reinen Ausschlagsverfahrens mit der hohen Empfindlichkeit der Regelung nach der Nullmethode nicht Schritt hält.

Um nun die Ablesegenauigkeit der Aufzeichnung zu erhöhen, hat man in solchen Fällen das sog. halbpotentiometrische Verfahren to verwendet. Dieses Verfahren besteht darin daß der EMK des Thermoelementes eine konstante, sehr genau definierte, im allgemeinen kleinere EMK entgegengeschaltet und nur die Differenz der beiden dem Schreibgerät zugeführt wird. Dadurch steht der ganze Meßbereich mit entsprechend erhöhter Genauigkeit für den im Betrieb wichtigen Ausschnitt zur Verfügung. In diesem Bereich, etwa 600 bis 800 ° C, ist also eine sehr genaue Messung möglich, welche der Empfindlichkeit der Regelung einigermaßen entspricht. Dabei beeinflußt eine etwaige Beschädigung des an sich empfindlichen, mit geringem Drehmoment arbeitenden Schreibgeräts das Regelgerät und damit den Regelvorgang in keiner Weise, da es sich um ganz getrennte Meßwerke handelt.

Ein Regelgerät nach der beschriebenen Nullmethode und ein getrenntes Schreibgerät mit unterdrücktem Nullpunkt entsprechen jedoch den Anforderungen des Betriebes auch in ihrem Zusammenwirken noch nicht. Voraussetzung für eine Vergleichbarkeit der Werte im Regelstromkreis und im Schreibstromkreis ist, daß die beiden Thermoelemente und die beiden Hüfsstromquellen vollkommen genau miteinander übereinstimmen. Schon bezüglich der Thermoelemente läßt sich eine derartige Gleichmäßigkeit nur schwer erreichen und noch schwerer im Betriebe aufrechterhalten. . Ganz unmöglich ist dies jedoch bei den Hilfsstromquellen, und zwar deswegen, weil es keine Stromquellen gibt, welche sich den verschiedenartigen Einflüssen des Betriebes und der verschiedenen Belastung gegenüber genau gleichmäßig ändern. Da Schwankungen der Spannung in voller Höhe als Meßfehler in das Resultat eingehen, bringen schon geringe Spannungsschwankungen Differenzen zwischen dem Ergebnis der Regelung und der Aufzeichnung, so daß Schwierigkeiten und Störungen unvermeidlich sind.

Die Erfindung besteht nun darin, daß die

beiden getrennten, jeder wegen seiner besonderen Eigenschaften wertvollen Apparate bezüglich der Schaltung zu einem organischen Ganzen vereinigt werden. Dadurch entgeht man allen Schwierigkeiten, die durch Inkonstanz der Thermoelemente oder Schwankungen der Hilfsstromquellen entstehen können, und man kann sich die vorstehend geschilderten Vorteile des Regelgeräts nach der Nullmethode und des Ausschlaggerätes mit unterdrücktem Nullpunkt beide in vollem Umfange zunutze machen.

Die grundsätzliche Schaltung einer solchen Anordnung zeigt die Abb. 1. Das Thermoelement 1 ist beispielsweise in einem Glühofen eingebaut, dessen Temperatur normal 700 ° C beträgt. Zum Abgriff der Gegenspannungen wird ein Potentiometer 2 benutzt, welches über einen Regelwiderstand 3 aus einer Batterie 4 gespeist wird. An das Thermoelement ist nun zunächst ein schreibendes Meßgerät 5 angeschlossen. Dieses Schreibgerät ist mit unterdrücktem Nullpunkt ausgeführt; dazu ist das Meßwerk einerseits an den Pluspol des Thermoelementes angeschlossen, andererseits an einen Punkt des Potentiometers, dessen Potential der bei 600° C erzeugten EMK des Thermoelementes entspricht. Ist die Ofentemperatur geringer als 600° C, so liegt der Zeiger des Schreibgerätes an seinem Anschlag an. Zeigt aber die Temperatur über 600° C, so beginnt das Schreibgerät den Temperaturverlauf aufzuzeichnen. Die Skala des Schreibgerätes und der Schreibstreifen sind von 600 bis 800° C ausgeteilt und ermöglichen damit eine sehr genaue Ablesung und Aufzeichnung innerhalb dieses Bereiches.

Um die Temperatur des Ofens konstant zu halten, ist ein Regler 6 vorgesehen. Soll nun go die Temperatur auf beispielsweise 700 ° C konstant gehalten werden, so wird das Meßwerk des Reglers einerseits an den Pluspol des Thermoelementes, andererseits an denjenigen Punkt des Potentiometers angeschlossen, dessen Potential der bei 700 ° C entstehenden EMK des Thermoelementes entspricht. Solange nun die Ofentemperatur gerade 700° C beträgt, fließt in der Spule des Reglermeßwerks kein Strom, und das bewegliche System des Reglers steht in ioc seiner Mittelstellung. Beginnt die Temperatur durch irgendwelche Einflüsse zu sinken, so nimmt damit auch die EMK des Thermoelementes ab, und vom Potentiometer her fließt ein Strom durch den Regler, welcher das System zum Ausschlag bringt und den entsprechenden Regelvorgang einleitet, so daß die Temperatur wieder steigt. Bei zu hoher Temperatur verläuft der Vorgang umgekehrt.

Statt der beschriebenen Unterdrückung des Nullpunktes des Schreibgerätes 5 kann auch ein etwas anderes Verfahren benutzt werden, welches in Abb. 2 dargestellt ist. Die bewegliche Spule des Schreibgerätes ist in zwei Teilspulen 5' und 5" zerlegt, deren Drehmomente einander entgegenwirken. 5" ist an das Thermolement angeschlossen, 5' dagegen an einen festen Potentiometerabgriff. Je nach der Wahl dieses Abgriffes wird eine entsprechende Unterdrückung erzielt. Häufig besteht der Wunsch, den Abgriff am otentiometer für den Regler 6 nicht fest,

sondern einstellbar zu machen. Da bei der Schaltung nach Abb. ι die Verstellung des Reglerabgriffs das Schreibgerät beeinflussen würde, wendet man in solchen Fällen zweckmäßig die Schaltung nach Abb. 3 an. Durch die beiden parallel geschalteten Potentiometer 2' und 2" wird eine gegenseitige Beeinflussung von Regler und Schreiber vermieden.

Da bei den beschriebenen Schaltungen^ nur eine Hilfsstromquelle und nur ein Thermoelement verwendet werden, können zwischen Messung und Reglung niemals Differenzen auftreten. Damit sind alle eingangs geschilderten Schwierigkeiten überwunden, und es ist also durch die Erfindung ein Weg gezeigt, welcher Regelung und Aufzeichnung mit größter Genauigkeit unter Verwendung einfacher billiger Apparate ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus der beschriebenen Anordnung ergibt, besteht in der Möglichkeit, den im Potentiometer fließenden Strom ständig auf seinen richtigen Wert prüfen zu können. Das ist für die Genauigkeit der Regelung und der Messung sehr wichtig, da ja Abweichungen in der Stromstärke des Potentiometers in voller Höhe als Fehler in die Messung und Regelung eingehen. Zu diesem Zweck kann, wie Abb. 4 zeigt, das Meßwerk 5 durch einen Umschalter 8 an einen besonderen Abgriff des Potentiometers gelegt werden, an dem bei richtigem Wert der Stromstärke ein Spannungsabfall in solcher Höhe auftritt, daß das Meßwerk gerade seinen vollen Ausschlag macht oder auf einen anderen leicht ablesbaren Wert einspielt. In regelmäßigen Abständen wird dann zur Vornahme der Prüfung der Umschalter 8 aus seiner gezeichneten Stellung in die gestrichelte Lage gebracht. Spielt der Zeiger des Meßgerätes dann nicht auf den richtigen Wert ein, so muß am Widerstand 3 nachgestellt werden.

Ist das Meßgerät 5 beispielsweise ein Mehrfachpunktschreiber mit Fallbügelbetätigung, so läßt man die Umschaltung des Schalters 8 zweckmäßig automatisch vornehmen und die jeweilige Stellung des Meßgerätes mit auf den Papierstreifen aufzeichnen. Die aneinandergereihten Meßpunkte müssen dann eine gerade Linie ergeben. Weichen die Meßpunkte von der Geraden ab, dann hat der Strom im Potentiometer nicht mehr den vorgeschriebenen Wert, und es muß am Widerstand 3 nachgeregelt werden.

Diese Prüfung auf genaues Einhalten des Potentiometerstromes und damit auf genaues Messen und Regeln ist nur bei der Schaltanordnung gemäß der Erfindung möglich. Verwendet man nämlich ein Meßgerät und ein Regelgerät in getrennten Stromkreisen, wie es bisher üblich war, so muß man zur Prüfung des Regelstromkreises ein besonderes Meßgerät vorsehen, welches bei der beschriebenen Anordnung wegfallen kann.

Die in Abb. 4 gezeigte Schaltung ermöglicht eine Prüfung des Potentiometerstromes mit der dem Meßgerät bei einer Ausschlagsmessung zukommenden Genauigkeit. Diese Genauigkeit genügt jedoch in vielen Fällen noch nicht, da der Regler nach einer Nullmethode arbeitet und demgemäß empfindlicher hergestellt werden kann als das Meßgerät. Man nimmt dann gemäß der Abb.' 5 die Prüfung des Potentiometerstromes gegen ein Normalelement ebenfalls nach einer Nullmethode vor.

In den Stromkreis des Potentiometers wird ein Widerstand 10 eingeschaltet, an dem bei richtigem Stromwert ein Spannungsabfall entsteht, welcher der EMK eines Normalelementes 7 genau gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Durch den Umschalter 9 kann das Meßwerk 5 in den Stromkreis des Normalelementes eingeschaltet werden. Hat der Potentiometerstrom den richtigen Wert, so schlägt das Meßwerk 5 nicht aus, da die EMK des Normalelementes dem Spannungsabfall am Widerstand 10 entgegenwirkt.

Die Einstellung des Widerstandes 3 kann man auch auf irgendeine an sich bekannte Weise automatisch vornehmen. Bei hinreichender Konstanz der Hilfsbatterie 4 wird man jedoch go im allgemeinen von dieser Komplikation absehen können, weil durch die fortlaufende Kontrolle der Einstellung nach Abb. 2 oder 3 zugleich mit der Temperaturaufzeichnung stets ein Beweis für die richtige Einstellung des Regelwiderstandes gegeben ist. Bei den bisher üblichen Potentiometerapparaten mit nur einem Meßwerk ist dieser Vorteü nur mit komplizierten Zusatzeinrichtungen erreichbar.

Weiterhin* hat man bei solchen Apparaten mit nur einem Meßwerk mit dem Nachteil zu rechnen, daß das zeitweise zur Prüfung des Hilfsstromes herangezogene Nullgalvanometer in diesem Zeitpunkt zur Regelung nicht zur Verfügung steht, so daß periodisch einzelne Regelvorgänge ausfallen. Bei kleinen Regelobjekten mit schnell veränderlichen Temperaturen sowie bei Regelung auf gewisse nur vorübergehende Temperaturzustände (metallographische Umwandlungspunkte und ähnliches) können auf diese Weise ausfallende Regelimpulse störend wirken.

Im übrigen können auch noch weitere an sich bekannte Vervollkommnungen vorgesehen werden, wie selbsttätige Berücksichtigung schwankender Temperatur der kalten Lötstelle usw. Ebenso kann die Einrichtung auch für die Regelung und Aufzeichnung anderer physikalischer Vorgänge, die mit der Änderung elektromotorischer Kräfte verbunden sind, verwendet werden. Als Beispiel sei Ionenkonzentration angeführt.

Claims (7)

1. 604707

   Patentansprüche:

   ι. Nach der Nullmethode arbeitende Einrichtung zum Regehi von physikalischen Vorgängen, die mit der Änderung elektromotorischer Kräfte verbunden sind, vorzugsweise von mittels Thermoelementen erfaßten Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer gleichzeitigen Anzeige oder Aufschreibung zu dem Regelmeßwerk ein Ausschlagsmeßwerk mit elektrisch unterdrücktem Nullpunkt zugeschaltet wird, daß die Kompensationsvorrichtungen beider Meßwerke an die gleiche Hilfsstromquelle angeschlossen sind und daß nur ein einziges gemeinsames Thermoelement zur Verwendung kommt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Meßgerätes eine an einem Potentiometer abgegriffene Hilfsspannung benutzt wird:
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Meßgerätes eine zweite Wicklung benutzt wird, welche aus der gemeinsamen Hilfsstromquelle gespeist wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nullmeßwerk und das Ausschlagsmeßwerk an verschiedene Abgriffe des gleichen Potentiometers angeschlossen sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Hilfsschaltung das Meßgerät gleichzeitig zur Prüfung des Potentiometerstromes benutzt werden kann.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfung des Potentiometerstromes in an sich bekannter Weise selbsttätig erfolgt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentiometerstrom mit Hilfe eines Normalelementes in an sich bekannter Weise geprüft wird, wobei das Meßgerät als Nullgalvanometer dient.

   Hierzu· 1 Blatt Zeichnungen