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Elektrische Regeleinrichtung Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische
Regeleinrichtung, deren, Regelorgan von einem elektrischen Differentialsteuergerät
beherrscht wird, das in Abhängigkeit von einem von der zu regelnden Größe beeinflußten
Fühlorgan sowie: von einem weiterem dien Sollwert dieser Größe verändernden Steuerorgan
oder einem Rückführorgan oder aber in Abhängigkeit von allen drei Organen arbeitet.
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Es sind bereits ähnliche Regeleinrichtungen bekannt, bei welchen unter
Anwendung einer Brückenschaltung eine Größe in Abhängigkeit von einer anderen geregelt
oder gesteuert wird. Die Einrichtung arbeitet dabei so, daß die veränderliche Größe
den Widerstand eines Brückenkreises verändert, wodurch ein im Diagonalkreis der
Brücke eingeschaltetes Relais zum Ansprechen kommt, das über eine Kontaktwaage und
einen Stellmotor eine weitere einen Widerstand der Brücke beeinr flussende, abhängige
Größe derart regelt oder steuert, daß das Gleichgewicht der Brücke wiederhergestellt
wird. Das Steuerrelais braucht hierbei nicht notwendigerweise im Diagonalkreis zu
sein; es sind Einrichtungen bekannt, bei denen zwei Spulen eines Differentialrelais
von zwei im Gleichgewicht zu haltenden Strömen der Brücke beeinflußt werden.
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Diese Schaltung kann auch zur Anwendung kommen, wenn es sich darum
handelt, eine Zustandsgröße auf einen bestimmten Wert zu
regeln
unter Verwendung eines durch das Regelorgan beeinflußten Rückführwiderstandes. Die
beiden von dem Istwert und der Stellung des Regelorgans abhängigen Widerstände beeinflussen
hierbei ebenfalls den Widerstand je eines Brückenkreises.
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Ferner sind Einrichtungen zur Regelung einer Größe in Abhängigkeit
von einer anderen bekannt, bei welchen ein Differentialkompensationsgerät von zwei
Strömen beeinflußt wird, welche in :Abhängigkeit von den in ein bestimmtes Verhältnis
zu bringenden Größen verändert «-erden. Die 1`eränderung der Ströme wird dabei durch
Widerstandsregler vorgenommen.
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Diesen Regelmethoden haftet der Nachteil an, daß es nicht möglich
ist, über einen größeren Bereich der Regelung eine gleichmäßige Empfindlichkeit
zu erhalten. Das Nullstromrelais im Diagonalkreis einer Brücke oder das von zwei
veränderlichen Strömen beeinflußte Differentialgerät benötigen zum Ansprechen eine
ganz bestimmte Stromänderung, welche die Empfindlichkeit der Regeleinrichtung ausmacht.
'lacht man den Gesamtwiderstand in den von den Größen beeinflußten Kreisen hoch
gegenüber der totalen vorkommenden Widerstandsänderung, so ist die Gleichmäßigkeit
der Empfindlichkeit wohl einigermaßen gewährleistet, die allgemeine Empfindlichkeit
wird jedoch sehr klein und unbefriedigend. Macht man im Gegensatz hierzu den Gesamtwiderstand
klein gegenüber der totalen auftretenden Widerstandsänderung, so wird die allgemeine
Empfindlichkeit wohl hoch, aber sehr ungleichmäßig. je nachdem die Regelwiderstände
ganz ein- oder ganz ausgeschaltet sind.
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Die Nachteile der bekannten Einrichtungen machen sich besonders da
geltend, wo es sich darum handelt, den Sollwert der zu regelnden Größe über einen
größeren Bereich zu ändern, sei es automatisch in Abhängigkeit von einer anderen
Größe oder nach Belieben von Hand.
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Die vorliegend Erfindung beseitigt die genannten Nachteile vollständig.
Sie ist dadurch gekennzeichnet. daß die das Differentialsteuergerät beeinflussenden
Fühl-, Steuer-und Rückführorgane-elektrische Widerstände verstellen, welche das
Verhältnis der Ströme zweier parallel geschalteter Erregerkreise des Differentialsteuergerätes
beeinflussen, wobei mindestens die von den Fühl- bzw. Steuerorganen verstellten
Widerstände unter sich und mit der einen Erregerspule des Differentialsteuergerätes
in Reihe geschaltet sind, während der von dem Rückführorgan verstellte Widerstand
in Reihe oder parallel zu den übrigen Widerständen oder in Reihe mit der zweiten
Erregerspule geschaltet ist.
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Durch diese Anordnung ist es möglich. über den ganzen Bereich der
Regelung eine konstante und hohe Regelempfindlichkeit zu erhalten, da der das Kompensationsgerät
beeinflussende Strom im Gleichgewichtszustand des Gerätes über den ganzen Bereich
konstant ist.
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.Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands
beschrieben, und zwar zur Regelung oder Steuerung der Heizwassertemperatur einer
Gebäudeheizanlage in Ahli:ingigkeit von der Außentemperatur. Die Beziehung oder
Funktion zwischen Außentemperatur und Heizwassertemperatur ist hierbei so gewählt,
daß die Raumtemperatur fürverschiedene Außentemperaturen konstant bleibt. Nebst
der Außentemperatur können noch weitere die Abkühlung des Gebäudes beeinflussende
veränderliche Größen, wie Wind, Feuchtigkeit usw., in die Funktion einbezogen «-erden.
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In der Zeichnung zeigt Fig. i ein Diagramm mit Heizwassertemperatur
im Vorlauf der Wass:rheizungsanlage in Abhängigkeit von der Außentemperatur, wie
sie bei den meisten Wasserheizungen zutrifft; Fig. 2 zeigt ein Schaltungsschema
der Regelanlage; Fig.3 zeigt in einem rechtwinkligen Koordinatensystein eine Schar
gerader Linien, welche die Verstellmöglichkeit der Beziehung zwischen Außen- und
Heiz«-assertemperatur veranschaulichen sollen.
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Der Regelanlage fällt die Aufgabe zu, die in Fig. i angegebene lineare
Beziehung zwischen Außen- und Heizwassertemperatur aufrechtzuerhalten. Einer bestimmten
Abnahme der Außentemperatur soll eine ganz bestimmte Zunahme der Heizwassertemperatur
entsprechen. Die Beziehung selbst wird durch Erfahrung erhalten und muß im übrigen
der Heizanlage angepaßt werden.
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In Fig.2 bedeuten I ein von der Außentemperatur beeinflußtes, von
einem Thermostat gebildetes Steuerorgan, 1I ein von der Heizwassertemperatur beeinflußtes,
ebenfalls von einem Thermostat gebildetes Steuerorgan, III ein empfindliches Differentialrelais
und IV ein von einem elektrisch gesteuerten Ventil mit Rückfiihrorgan gebildetes
Regelorgan, das z. B. den Heißwasserzustrom im Primärkreis eines Heißwasserumformers
so zti regeln hat, daß die Heizwassertemperatur im Sekundärkreis der verlangten
Beziehung entspricht.
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Das Steuerorgan I weist ein Ausdehnungsrohr i, einen übertragungsstab
2, einen damit verbundenen, um die Achse 3 beweglichen Kontaktarm.I, einen elektrischen
Widerstand 3 sowie Anschlußklemmen 6 und ; auf. Die Differenz der Ausdehnung zwischen
Rohr i und Stab 2 wird über eine nicht eingezeichnete Übersetzung auf Kontaktarm
.I übertragen,
wodurch eine der Temperaturänderung proportionale
Widerstandsänderung am Widerstand 5 hervorgerufen wird. Das Steuerorgan II weist
die gleichen Elemente wie der Thermostat I auf; sie sind entsprechend mit z', 3',
4!, 5', 6' und 7' bezeichnet.
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Das Differentialrelais III besteht aus einem Relaisanker i o, zwei
Erregerspulen ii und 12, einem um die Achse 9 drehbaren Kontaktarm 13, der die Kontakte
15 und 16 schließt oder öffnet, sowie dem Einstellwiderstand 17. Das Regelorgan
IV besteht aus dem in der Drehrichtung umkehrbaren Antriebsmotor i9, den Erregerspulen
21 und 22, der Ventilspindel 2o und dem eigentlichen Durchlaßventil 18. Mit dem
Regelorgan zwangsläufig verbunden ist das Rückführorgan, bestehend aus Rückführwiderstand
29 und auf der Welle 20 isoliert befestigtem Kontaktarm 30.
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Die beiden Widerstände 5 und 5' sind mit einer Erregerspule des Relais
III und dem Rückführwiderstand 29 in Reihe geschaltet und an die Stromquelle angeschlossen.
Dabei bildet sich der Stromkreis +-Pol, 23, 6, 7, 24,
6', 7', 25, 11, 31,
29, 32, 26, ---Pol. Die zweite Erregerspule 12 ist .über den Einstellwiderstand
17 an die Stromquelle angeschlossen. Es bildet sich der Stromkreis -.--Pol, 17,
12, 26, --Pol. Der Antriebsmotor ig ist über die Erregerspulen 21 und 22, Kontakt
15 und 16, Kontaktwaage 13 an die Stromquelle geschaltet, wobei sich folgender Stromkreis
bildet: +-Pol, 28, 19, 2'I, 15 (22, I6), 13, 14, 26, --Pol.
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In der Ruhe- oder Nullstellung des Magnetankers io mit dem Kontaktarm
13 ist der Widerstand des Stromkreises 5, 5', 11, 29 gleich groß wie derjenige von
17 und 12. Diese beiden Ströme halten sich somit das Gleichgewicht. Sobald aber
die Außentemperatur z. B. ansteigt, verlängert sich das Rohr i, und der Arm 4 wird
nach unten bewegt. Dadurch wird der Widerstand 5 verkleinert und die Stromstärke
im Stromkreis 5, 5', 11, 29 vergrößert. Die Spule i i erhält das übergewicht und
zieht den betreffenden Magnetschenkel an, wodurch der Kontaktarm 13 den Kontakt
15 berührt. Der Motor i9 wird nun über die mit dem Kontakt 15 verbundene Feldspule
2i eingeschaltet und die Ventilspindel 2o im Schließsinn gedreht. Der Zuflüß des
Primärheißwassers zum Heißwasserumformer wird mehr und mehr gedrosselt, wodurch
die Temperatur des Sekundärheißwassers, d. h. des Heizwassers für die Zentralheizung,
sinkt, von welchem das' Steuerorgan II beeinflußt wird. Gleichzeitig mit der Verstellung
des Ventils 18 wird auch der Rückführwiderstand 29 verstellt, und zwar im Sinn einer
Vergrößerung, so daß die vorhergehende Widerstandsabnahme im Kreis der Erregerspule
i i nach einer bestimmten Verdrehung wieder rückgängig gemacht wird und das Regelorgan
IV zur Ruhe kommt. Dies hat den Zweck, ein Überregeln zu vermeiden, indem. das Ventil
nur um einen der Abweichung der Regelgröße, in diesem Fall des Heizwassers, proportionalen
Betrag verstellt wird. Infolge sinkender Kesseltemperatur verkürzt sich das Rohr
i', womit die Schleifbürste 4' nach oben geschwenkt und der Widerstand 5' erhöht
wird, bis die Spule 12 das Übergewicht erhält und den rechten Schenkel des Magnetkerns
io anzieht, wodurch Kontaktarm 13 mit 16 in Berührung kommt und das Ventil 18 im
öffnenden Sinn verstellt wird. Gleichzeitig findet eine Reduktion des Widerstandes
29 statt. Das Regelorgan IV kommt erst dann zur Ruhe, wenn der Flüssigkeitsstrom
im Ventil 18 gerade ausreicht, um den vom Steuerorgan I verlangten Sollwert der
vom Steuerorgan II überwachten Kesseltemperatur aufrechtzuerhalten.
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Aus diesem Beispiel einer Regelung ersieht man, daß bei einer Steigerung
der Außentemperatur das Regelsystem die Wärmezufuhr vermindert entsprechend dem
verminderten Wärmebedarf in der Zentralheizung. Bei sinkender Außentemperatur steigt
der Wärmebedarf, und das vorbeschriebene Regelspiel wickelt sich in umgekehrtem
Sinn ab. Der Widerstand 5 wird erhöht, die Stromstärke im Kreis 5, 5', 11, 29 wird
vermindert, und die Spule 12 erhält das Übergewicht. Der Kontaktarm 13 berührt den
Kontakt 16, und der Motor i9 dreht sich im öffnungssinn des. Ventils. Damit steigt
die Wärmezufuhr zum Heißwasserumformer und auch die Temperatur des Zentralheizunigswassers..
Das Therrnostatrohr i' bewirkt die Verminderung des Widerstandes 5', bis der Widerstandszustand
von 5, 5', 11, 29 wieder mit jenem von 12 und 17 übereinstimmt, wonach die Kontaktwaage
des Differentialrelais in die Nullstellung fällt.
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Es ist notwendig, die Widerstandsverhältnisse der beiden Stromkreise
5, 5', 11, 29 und 12, 17, d. h. die Beziehung zwischen Außentemperatur und Heizwassertemperatur
der Heizanlage anzupassen. Zu diesem Zweck dient der Einstellwiderstand 17. Durch
Verstellung des Widerstandes 17 tritt eine vertikale Parallelverlagerung der die
Beziehung zwischen Außen- und Heizwassertemperatur anzeigenden Geraden a ein, wie
in Fig. 3 dargestellt. Eine Erhöhung des Widerstandes 17 hat eine Verlagerung von
a nach a,, eine Verminderung eine Verlagerung von a nach a, zur Folge. Durch ParalleIschalten
eines Regelwiderstandes zu einem durch ein Steuerorgan beeinflußten Widerstand,
d. h. zu 5 oder 5', ist es ebenfalls möglich, die Beziehung
zwischen
Außen- und Heizwassertemperatur zu verändern. Eine Verstellung dieses Parallelwiderstandes
würde z. B. eine Schwenkung der Geraden a- um den unteren Endpunlkt in die Lage
b oder bi erlauben. Die Größe des Rücl#:ffhnviderstandes 9 muß den Verhältnissen
der Regelanlage angepaßt «-erden. Um wirksam zu sein, darf er nicht zu klein sein,
andererseits darf er auch nicht zu groß sein, damit die Ungleichförmigkeit, d. h.
der Eint' des Widerstandes auf den Sollwert der Regelgröße nicht zu groß ist.
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Im vorgehend beschriebenen Beispiel wurde lediglich von einer veränderlichen
physikalischen Größe der Außentemperatur gesprochen.
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ach dem gleichen Regelprinzip könnten aber auch mehrere andere veränderliche
Größen in die Funktion einbezogen «-erden, indem der Regler I nicht nur von einer,
sondern von mehreren Größen beeinflußt wird oder indem an Stelle des Reglers I mehrere
in Reihe geschaltete, von veränderlichen Größen beeinflußte Regler vorhanden wären.
Es könnten z. B. zwecks Konstantlialtung der Raumtemperatur in einer Heizanlage
auch der Wind, die Feuchtigkeit der Luft usw. berücksichtigt «-erden. An Stelle
der im obigen Beispiel beschriebenen Widerstandsregler I und II könnten auch einfache
Widerstandselemente vorhanden sein, deren Widerstände sich entsprechend Temperaturkoeffizient
und Temperaturänderung ändern. Das Steuerorgan I braucht nicht unbedingt ein von
einer physikalischen Größe oder einem Zustand beeinfluntes Organ zu sein, sondern
könnte auch ein von Hand verstellbares Organ sein, mittels dessen der Sollwert der
durch Fühlorgan II geregelten Größe nach Belieben verändert «-erden kann. Da der
Einfluß des Rückführwiderstandes auf das Difterentialrelais verhältnismäßig gering
ist gegenüber dem der Widerstände 5 und 5', könnte dieses auch ohne wesentlichen
-Nachteil entweder parallel zu 5 und 3' oder in Reihe finit Erregerspule 12 geschaltet
sein. In diesem Fall wäre der Strom üi den Widerständen 5 und 5' in der Gleichgewichtslage
des Relaisankers io nicht immer der gleiche, weshalb auch die Empfindlichkeit der
Regeleinrichtung etwas verschieden wäre, je nach Stellung des Regelorgans bzw. Größe
des Rückführwiderstandes.
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Die Einrichtung kann auch ohne Rückführorgan bzw. Rückführwiderstand
arbeiten, so daß im Stromkreis der Erregerspule i i lediglich die beiden Widerstände
5 und 5' vorhanden wären. In diesem Fall ist, wenigstens hei trägen Regelanlagen,
diL Gefahr des Überregelns vorhanden.
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Soll die Einrichtung mir dazu dienen. eine bestimmte konstante Zustandsgröße
einzuregeln. so könnte das Steuerorgan I in Wegfall kommen, und es wären mit der
Spule i i lediglich die Widerstände 5' und 29 in Reihe geschaltet oder, was ebenfalls
möglich ist, der Widerstand >' mit Spule i i und Widerstand 29 mit Spule i2 in Reibe
geschaltet.
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Die Anwendung der Regelmethode ist selbstverständlich nicht beschränkt
auf Heizungsanlagen bzw. Temperaturregelanlagen. Sie kann vielmehr überall da Anwendung
finden, wo es sich darum handelt, eine physikalische Größe in Abhängigkeit von einer
oder mehreren anderen zu regeln oder zu steuern. Als physikalische Größen kommen
vor allem Temperatur, Feuchtigkeit; Druck, Geschwindigkeit, Strom. Weg. Spannung
und Leistung in Frage. Außer zur Regelung oder Steuerung könnte die Einrichtung
auch zur Fernübertragung oder Fernanzeige verwendet lverden. I wäre in diesem Fall
der Geber und 1I der Empfänger. Eine Verstellung vcii I Hätte eine proportionale
Verstellung von II zur Folge, wobei die Verstellung des Kontaktarmes Y direkt durch
den Antriebsmotor i9 vorgenommen und parallel mit dem Kontaktarm ein Zeiger über
eine Skala bewegt würde. Der Rückführwiderstand 29 würde hierbei in Wegfall kommen.