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Schaltung zur elektrischen Regelung des Verhältnisses zweier Mengenströme
Es wird oft die Aufgabe gestellt, das Verhältnis zweier Mengen von strömenden Gasen
oder Flüssigkeiten zu regeln in der Weise, daß die eine Menge sich nach irgendeiner
beliebigen Funktion zeitlich ändert und daß dann durch den Verhältnisregler die
Größe der zweiten Menge stets so eingestellt wird, daß das Verhältnis beider Mengen
dauernd konstant ist. Diese Aufgabe liegt z. B. vor bei der Regelung des Verhältnisses
von Gas zu. Luft bei gasbeheizten Öfen und bei der Regelung des Verhältnisses von
Dampfmenge zu Brennstoffmenge bei automatischen Kesselregelungen. Die Mengen von
Gasen und Flüssigkeiten werden normalerweise durch Drosselorgane erfaßt, an denen
der Druckabfall durch Schwimmermesser, Ringwaagen oder Membranmengenmesser gemessen
wird. Die Verhältnisregelung kann nun, wie bekannt, mechanisch oder elektrisch erfolgen.
Bei der mechanischen Verhältnisregelung verstellen die Mengenmesser einen Steuerkolben,
ein Strahlrohr oder eine Prallplatte, wodurch ein Kraftkolben bewegt wird, der die
Drossel in der einen Mengenleitung so lange verstellt, bis das gewünschte Mengenverhältnis
erreicht ist.
Bei der elektrischen Verhältnisregelung verstellen
die Mengenmeßger äte elektrische Widerstände (Fernsender), die auf ein elektrisches
Nullglied, z. B.-Fallbügelregler, wirken, das wiederum durch Betätigung von Steuermechanismen
z. B. die Drosselklappe in der einen Leitung so lange verstellt, bis das gewünschte
Mengenverhältnis eingestellt ist.
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Als Fernsender sind die sogenannten Ringrohrfernsender und die Bürstenfernsender
bekannt. Der Ringrohrfernsender besteht aus einem zu einem Ring gebogenen Glasrohr,
das einen Widerstandsdraht und Quecksilber enthält. Durch Drehen des Ringrohres
wird der Widerstand zwischen den beiden Drahtenden verändert. Der Bürstenfernsender
besteht aus einem auf einem beliebig geformten Körper aufgewickelten Drahtwiderstand
mit einer Bürste als Abgriff.
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Bekannt ist die Verwendung der Wheatstone-Brvcke zur Verhältnisregelung.
Hierbei werden die Ringrohrfernsender als veränderliche Brückenzweige verwendet
(Abb. i), die von den beiden Mengen gesteuert werden. Wenn die den Fernsender R,
beeinflussende Menge i einen beliebigen Wert annimmt, bewirkt das in der Brückendiagonale
liegende Nullinstrument so lange eine Drehung der Drosselklappe in der Leitung der
Menge 2, bis der dem gewünschten Mengenverhältnis entsprechende Mengenstrom 2 und
infolgedessen der entsprechende Widerstandswert des Fernsenders R2 eingestellt ist.
Dann fließt kein Brückenstrom mehr, und die Verstellung der Drossel ist beendet.
Durch Einschaltung eines Widerstandes R3 in den Brückenpunkt ist es möglich, das
einzuregelnde Verhältnis zu verstellen. Der Aufbau dieser Schaltung ist sehr übersichtlich.
Die Ringrohrfernsender haben jedoch den Nachteil, daß das Quecksilber beim Drehen
des Ringrohres leicht an dem Widerstandsdraht haftenbleibt, so daß die Ungenauigkeit
der Widerstandseinstellung i bis 2 °/o beträgt. Für viele Regelfälle ist aber diese
Ungenauigkeit zu groß.
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Diesen Nachteil vermeidet der Bürstenfernsender. Er hat allerdings
den anderen Nachteil, daß im Laufe der Zeit zwischen Bürste und Wicklung ein wenn
auch geringer Übergangswiderstand entstehen kann. Die Schaltung muß also so getroffen
werden, daß der Übergangswiderstand nicht in die Messung eingeht.
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Das ist z. B. bei der bekannten Schaltung nach Abb. 2 der Fall, die
bezüglich Rl und R2 die gleiche Funktion hat wie die Schaltung nach Abb. i und bei
der gleichfalls durch den veränderlichen Widerstand R, im Brückenzweig das Verhältnis
der zu regelnden Menge -verändert werden kann. Allerdings hat diese Schaltung den
Nachteil, daß im eingeregelten Zustand über die beiden Fernsenderbürsten kein Strom
fließt, was gerade im Hinblick auf den Übergangswiderstand zwischen Bürste und Wicklung
nicht günstig ist.
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Es sind nun für die elektrische Verhältnisregelung Schaltungen bekannt,
bei denen dieser Nachteil bei Bürstenfernsendern dadurch vermieden wird, daß der
Batteriestrom ganz oder größtenteils über die Fernsenderbürste geht. Allerdings
konnten diese Schaltungen bisher nur zur Regelung eines einzigen bestimmten Mengenverhältnisses
verwendet werden. Eine derartige Schaltung ist in Abb.3 angegeben. Jeder Bürstenstellung
des Fernsenders R1 entspricht eine Bürstenstellung des Fernsenders R2, bei der die
durch die beiden Meßwerkspulen TI', und TV, (hier beispielsweise die Spulen eines
Kreuzspulgerätes) fließenden Ströme gleich groß sind, das Instrument also den Zeigerausschlag
Null hat. Mit dieser Schaltung ist es aber nur möglich, ein bestimmtes Mengenverhältnis
zu regeln, das, da die Fernsenderwiderstände gleich groß sein müssen, durch das
Meßbereichverhältnis der beiden Mengenmesser, die die Fernsenderbürsten verstellen,
gegeben ist; eine Veränderung oder Beeinflussung des Verhältnisses wie in den Schaltungen
nach Abb. i und 2 ist nicht möglich.
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Die Erfindung gibt nun eine Schaltung zur Verhältnisregelung durch
Bürstenfernsender an, bei der ebenfalls der Batteriestrom über die beiden Mengenfernsender
fließt und außerdem das einzuregelnde Verhältnis durch einen dritten `Widerstand
verändert werden kann. Diese Schaltung ist in Abb. q. angegeben. Bei dem Fernsender
i, der in dem einen Mengenmesser eingebaut ist und eine lineare Charakteristik hat,
ist die Bürstenverschiebung dieser Menge i verhältnisgleich. Analog ist die Bürstenstellung
des Fernsenders 2 der einzuregelnden Menge 2 verhältnisgleich. Die Veränderung des
Verhältnisses erfolgt durch Einstellung des Widerstandes Rv, wobei dann R¢ ein Festwiderstand
ist; es kann aber auch Rd zugleich ein veränderbarer Widerstand sein. Voraussetzung
für eine Verhältnisänderung durch einen dritten einstellbaren Widerstand ist, daß
das Verhältnis für j alle Stellungen der Mengenmesserfernsender konstant bleibt.
Das ist bei der angegebenen Schaltung nur dann der Fall, wenn beide Fernsender den
gleichen Wert Rf haben und vor jedem Fernsender ein fester Widerstand liegt, der
gleich dem Fernsenderwiderstand R f ist. Wenn diese beiden Bedingungen eingehalten
sind, ist es möglich, mittels der Schaltung eine Verhältnisregelung durchzuführen,
bei der das Mengenverhältnis konstant und unabhängig von der Größe der Mengen ist.
Das Nullinstrument, das die Regelimpulse auslöst, ist durch die beiden Widerstände
R, dargestellt. Als Nullgerät kann bei der Verwendung von Gleichstrom beispielsweise
ein Kreuzspulgerät oder ein Doppeldrehspulgerät verwendet werden, bei der Verwendung
von Wechselstrom beispielsweise ein Quotientendreheisengerät.
Die
beiden Meßwerkspulen dieser Geräte sind in der Schaltung mit RS bezeichnet. Das
Verhältnis ist dann eingeregelt, wenn das Gerät keinen Ausschlag zeigt, d. h. wenn
die beiden durch die Widerstände R, fließenden Ströme il und i2 gleich groß sind.
Die Stellung der Meßwerkachse kann entweder bei einem Zeigergerät mittels der bekannten
Fallbügelanordnung oder bei einem Spiegelgerät mittels Fotozelle abgetastet werden.
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Es sei nun angenommen, daß die Menge i den Wert ioo - a °/o der Höchstmenge
hat, da.ß also die Fernsenderbürste den Widerstand in die beiden Teilwiderstände
a - R f und (i-a) - R f aufteilt. Entsprechendhabe dieMenge2 die Größe ioo - b °/o
ihres Maximalwertes und die Fernsenderbürste die entsprechende Stellung. Bei Gleichheit
der beiden Meßwerkspulen R s und der Widerstände R f lassen sich an Hand der Abb.
4 folgende Beziehungen ableiten:
| + |
| Zl@ = 21 + ia |
| il" = i1-25 22 =22-2a, |
| 22 = 22 + 2b @ |
| Rf (i +a) (Z2-2.) = Rf (i-a) (21 +2a) + Ra' 2a, |
| (I) |
| Rf (i + b) (21-2b) - Rf (= b) (22 @- 2b) + Rb
@ 2b, |
| (2) |
| ZaRa+i2Rs=ibRb+ilRs# (3)' |
| Für den Gleichgewichtszustand (il = i2) ergibt |
| sich aus der Gleichung (i) |
| 2 Rfa21-2 R" i. = Ra i" |
| oder |
| 2aRf21=(Ra+2Rf)Za; (i a) |
| aus der Gleichung (2) |
| 2Rf b il-.2Rfib = Rbib |
| oder |
| 2bRfil= (R b +2Rf)ib ; (2 a) |
| aus der Gleichung (3) |
| 2a Rb (3 a) |
| 2b = Ra . |
| Durch Division der Gleichungen (i a) und (2 a) |
| und Einsetzen aus Gleichung (3 a) erhält man: |
| a _ Ra -E- 2 Rf ia _ Rb (Ra +2Rf) |
| b Rb + 2 Rf ib Ra (Rb +2Rf) |
| (4) |
Die Formel (4) sagt aus, daß die Gleichheit der durch diese Meßwerkspulen fließenden
Ströme il und i2, also der Ausschlag Null des Nullgerätes immer dann vorhanden ist,
wenn das Verhältnis
a : b der beiden Mengen konstant ist, unabhängig von
den Absolutwerten. Das Verhältnis ist außer von den beiden Fernsenderwerten lediglich
durch die Parallelwiderstände gegeben, so daß es also möglich ist, mit der neuen
Schaltung eine Verhältnisregelung auszuführen, bei der das eingeregelte Verhältnis
unabhängig von der Absolutgröße der beiden Mengen ist und durch entsprechende Veränderung
der beiden Widerstände Ra und Rb eingestellt werden kann. Falls nur der eine Parallelwiderstand,
z. B. Rb, verändert werden soll, ist es durch verschiedene Wahl des festen Parallelwiderstandes
Ra möglich, mit einer bestimmten Widerstandsänderung von Rb eine gewünschte Änderung
des Verhältnisses
a : b zu bewirken. Der veränderliche Widerstand Rb kann
von Hand einstellbar sein. Verwendet man als Nullgerät (R") ein Kreuzspulgerät,
so wird die Regelempfindlichkeit unabhängig von der Speisespannung. Da das Kreuzspulgerät
grundsätzlich richtkraftlos ist, bleibt die Einstellung erhalten, auch wenn durch
eine Störung die Speisespannung ausbleibt. Um in diesem Fall fehlerhafte Regelvorgänge
zu vermeiden, stattet man das Kreuzspulgerät zweckmäßig mit einer geringen mechanischen
Richtkraft aus, deren Nullpunkt mit der Zeigerstellung im eingeregelten Zustand
übereinstimmt. Benutzt man als Nullgerät ein Doppel- -drehspulgerät, so hat man
durch Verändern der Speisespannung die Regelempfindlichkeit in der Hand.