DE763097C

DE763097C - Device for controlling a relatively large force by means of an electrical measured variable of very low power

Info

Publication number: DE763097C
Application number: DES149965D
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Geyger
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1942-04-17
Filing date: 1942-04-17
Publication date: 1954-05-10

Description

Einrichtung zum Steuern einer verhältnismäßig großen Kraft durch eine elektrische Meßgröße sehr kleiner Leistung Die Erfindung bezieht sich -auf eine Einrichtung zum Steuern einer verhältnismäßig großen Kraft durch eine elektrische Meßgröße sehr kleiner Leistung, z. B. zum Messen verhältnismäßig kleiner Temperaturänderungen mittels eines Thermoelementes. In solchem Falle hat man bisher in der Regel die von dem Thermoelement erzeugte kleine Spannung einem entsprechend empfindlichen Galvanometer zugeführt, wobei der jeweilige Stand des Zeigers durch eine mittels einer Hilfskraft betätigte Fallbügelanordnung od. dgl. periodisch abgetastet wird. Dabei werden durch die Hilfskraft Kontakte für einen Hilfsstrom betätigt, der die z. B. zum. Betriebe einer großen Anzeige- oder Aufzeichnungsvorrichtung erforderliche Kraft ausüben kann. Diese bekannten Anordnungen erfordern aber einen verhältnismäßig großen Aufwand und sind wegen ihres absatzweisen Arbeitens und der Erschütterungsempfindlichkeit des Galvanometers in vielen Fällen nicht zu empfehlen.Means for controlling a relatively large force by a electrical measured variable very small power The invention relates to a Device for controlling a relatively large force by an electrical Measured variable of very low power, e.g. B. for measuring relatively small temperature changes by means of a thermocouple. In such a case one usually has the The small voltage generated by the thermocouple is a correspondingly sensitive one Galvanometer supplied, the respective state of the pointer by a means An assistant operated drop bracket arrangement or the like. Is scanned periodically. Contacts for an auxiliary current are actuated by the auxiliary worker, which the z. B. to. Large display or recorder operations required Can exert force. However, these known arrangements require a relatively great effort and are because of their intermittent work and the vibration sensitivity of the galvanometer is not recommended in many cases.

Andererseits sind auch kontinuierlich arbeitende ' verstärkeranordnungen für solche Zwecke benutzt worden. So ist z. B. eine Einrichtung bekannt, bei der die Thermospannung mittels eines empfindlichen Galvanometers gegen den von einem Hilfsstrom erzeugten Spannungsabfall an einem Widerstand selbsttätig mittels einer Bolometer- oder Fotozellenanordnungkompensiert wird, wobei der Hilfsstrom z. B. einen Tintenschreiber betreibt. Abgesehen davon, daß auch solche Einrichtungen ein hochempfindliches Galvanometer erfordern, ist der dadurch erreichbare Verstärkungsgrad in vielen Fällen nicht genügend groß.On the other hand, there are also continuously working 'amplifier arrangements has been used for such purposes. So is z. B. known a facility in which the thermoelectric voltage by means of a sensitive galvanometer against that of one Auxiliary current generated voltage drop across a resistor automatically is compensated by means of a bolometer or photocell arrangement, the auxiliary current z. B. operates an ink pen. Apart from the fact that also such facilities require a highly sensitive galvanometer, is the gain that can be achieved in many cases not big enough.

Ohne Benutzung eines Galvanometers kann man eine entsprechende Verstärkerwirkung unter Verwendung einer Kompensationsschaltung erreichen. wobei z. B. die Thermospannung gegen den von einem Hilfsstrom an einem durch einen beweglichen Abgriffkontakt veränderbaren Teil eines Widerstandes selbsttätig durch einen sogenannten Nullmotor abgeglichen wird, der z. B. über einen Röhrenverstärker aus der Kompensationsschaltung gespeist wird. Statt des Röhrenverstärkers kann man auch einen sogenannten magnetischen Verstärker benutzen, dessen Wirkung bekanntlich darauf beruht, daß der Scheinwiderstand einer Drosselspule durch eine Vormagnetisierung mittels eines der Meßgröße entsprechenden Steuergleichstromes beeinflußt werden kann. Diese bekannten magnetischen Verstärker haben den Vorteil, daß sie keinerlei bewegliche oder einer Abnutzung unterworfene Teile aufweisen.Without using a galvanometer one can have a corresponding amplifying effect using a compensation circuit. where z. B. the thermal voltage against that of an auxiliary current to a variable by a movable tap contact Part of a resistor is automatically adjusted by a so-called zero motor becomes, the z. B. fed via a tube amplifier from the compensation circuit will. Instead of the tube amplifier you can also use a so-called magnetic amplifier use, the effect of which is known to be based on the fact that the impedance of a Choke coil by a premagnetization by means of a corresponding to the measured variable Control direct current can be influenced. These well-known magnetic amplifiers have the advantage that they are not movable or subject to wear and tear Have parts.

Da aber der Verstärkungsgrad eines einstufigen magnetischen Verstärkers im allgemeinen nicht ausreichend ist. muß man in solchem Falle mindestens zwei -#?'erstärkerstufen vorsehen. Für Regelzwecke ist auch eine zweistufige Verstärkeranordnung bekanntgeworden, wobei der über einen magnetischen Verstärker gespeiste Nullmotor der ersten Stufe eine Anordnung zum Erzeugen einer entsprechend verstärkten Spannung betreibt, die in der zweiten Stufe nochmals mit Hilfe eines zweiten magnetischen Verstärkers einen zweiten Nullmotor steuert, der dann erst die erforderlichen Kräfte auszuüben imstande ist.But since the gain of a single-stage magnetic amplifier is generally insufficient. In such a case you have to have at least two - #? 'levels of strength provide. A two-stage amplifier arrangement has also become known for control purposes, the first stage zero motor fed by a magnetic amplifier an arrangement for generating a correspondingly amplified voltage operates which in the second stage again with the help of a second magnetic amplifier controls the second zero motor, which is then only able to exert the necessary forces is.

Es hat sich nun gezeigt, daß magnetische Verstärker grundsätzlich einen sogenannten Nullpunktfehler aufweisen, der darin besteht, daß der Ausgangsstrom nicht völlig verschwindet, wenn der Steuerstrom gleich Null wird. Diese Erscheinung ist zwar bei einem einstufigen magnetischen Verstärker durch geeignete Maßnahmen in praktisch bedeutungslosen Grenzen zu halten, nicht aber bei einer zweistufigen Anordnung.It has now been shown that magnetic amplifiers are fundamentally have a so-called zero point error, which is that the output current does not completely disappear when the control current becomes zero. This appearance is in the case of a single-stage magnetic amplifier by taking suitable measures to be kept within practically meaningless limits, but not with a two-stage Arrangement.

Die Erfindung benutzt deshalb zwar eine zweistufige Verstärkeranordnung, aber nur einen einstufigen magnetischen Verstärker, und zwar besteht bei einer Einrichtung zum Steuern einer verhältnismäßig großen Kraft durch eine elektrische Meßgröße sehr kleiner Leistung mittels einer zweistufigen Verstärkeranordnung, deren zweite Verstärkerstufe aus einem durch den Ausgangsstrom der ersten Verstärkerstufe bewegten Glied besteht, das mit an sich bekannten Mitteln eine pneumatische oder hydraulische Hilfsenergie nach Größe und Richtung steuert, gemäß der Erfindung die erste Verstärkerstufe aus einem einstufigen magnetischen Nullstromverstärker, dessen Eingangskreis im Nullstromzweig einer elektrischen Kompensations- oder Brückenmeßschaltung liegt. Dabei speist die Hilfsenergie vorzugsweise ein Triebwerk, das einerseits mit einem Anzeigeglied für die Meßgröße und andererseits mit einem Abgleichglied für die Meßschaltung gekuppelt ist.The invention therefore uses a two-stage amplifier arrangement, but only a single stage magnetic amplifier, and that is in one device for controlling a relatively large force by means of an electrical measurand very much low power by means of a two-stage amplifier arrangement, its second amplifier stage consists of a member moved by the output current of the first amplifier stage, that with means known per se a pneumatic or hydraulic auxiliary energy controls according to size and direction, according to the invention, the first amplifier stage a single-stage magnetic zero-current amplifier, whose input circuit is in the zero-current branch an electrical compensation or bridge measuring circuit. The feeds Auxiliary energy preferably an engine, which on the one hand with a display element for the measured variable and, on the other hand, coupled to a balancing element for the measuring circuit is.

Um einerseits bereits in der ersten Verstärkerstufe einen genügend hohen Verstärkungsgrad zu erhalten, andererseits aber einen möglichst geringen Nullpunktsfehler, besteht der magnetische Verstärker vorzugsweise aus einer Wechselstromdifferenzschaltung, die in beiden Zweigen Drosselspulen enthält, deren Eisenkerne einerseits von der zu messenden und von einer anderen Gleichstromgröße vormagnetisiert und andererseits mit je einer weiteren zusätzlichen Gleichstromvormagnetisierung versehen sind, die in bezug auf Größe und Richtung der Differenz der in den beiden Zweigen der Differenzschaltung fließenden Wechselströme entspricht.On the one hand, in order to get enough already in the first amplifier stage to obtain a high degree of amplification, but on the other hand the lowest possible zero point error, the magnetic amplifier preferably consists of an alternating current differential circuit, which contains inductors in both branches, the iron cores of which are on the one hand from the to be measured and premagnetized by another direct current quantity and on the other hand are each provided with a further additional direct current bias, which with respect to the size and direction of the difference in the two branches of the differential circuit corresponding to flowing alternating currents.

In der zweiten @'erstärkerstufe kann man z. B. eine sogenannte Prallplattenanordnung benutzen, wobei von dem Ausgangsstrom des magnetischen Verstärkers eine Düse bewegt wird, die in an sich bekannter Weise einen Luft- oder Flüssigkeitsstrom steuert. Besonders vorteilhaft ist aber eine Anordnung, wobei der Ausgangsstrom des magnetischen Verstärkers eine im Felde eines Magneten bewegliche Spule durchfließt, die mit einem Steuerglied gekuppelt ist, das eine Druckflüssigkeit je nach der Richtung des Verstärkerausgangsstromes auf die eine oder die andere Seite eines Arbeitskolbens wirken läßt. ähnliche Anordnungen sind insbesondere für Regelzwecke gebräuchlich.In the second @ 'strengthening stage you can z. B. a so-called baffle assembly use, moving a nozzle from the output current of the magnetic amplifier which controls a flow of air or liquid in a manner known per se. However, an arrangement is particularly advantageous in which the output current of the magnetic Amplifier flows through a movable coil in the field of a magnet, which is connected to a Control member is coupled, which is a pressure fluid depending on the direction of the amplifier output current can act on one or the other side of a working piston. similar arrangements are used in particular for control purposes.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, wobei angenommen ist, daß mit Hilfe eines Thermoelementes i erfaßte kleine Temperaturänderungen in stark vergrößertem Maße angezeigt werden sollen. Zu diesem Zweck soll z. B. ein sogenanntes Lichtsäulenanzeigegerät benutzt «-erden, wobei in einem lichtdichten Behälter 2, der auf der Vorderseite ein schmales, durch eine Milchglasscheibe 3 abgedecktes Fenster hat, Glühlampen 4. angeordnet sind. Vor dem Fenster ist ein endloses Band 5 bewegbar, das über Scheiben 6, 7 geführt und zur Hälfte durchsichtig ist. In der gezeichneten Mittelstellung wird die obere Hälfte des erleuchteten Fensters durch das Band 5 abgedeckt. An einer nicht gezeichneten Skala kann dann die Höhe h der so entstandenen Lichtsäule angezeigt werden.In the drawing, a device is shown as an embodiment the invention shown schematically, it being assumed that with the help of a Thermocouple i detected small temperature changes to a much larger extent should be displayed. For this purpose, z. B. a so-called light column display device used «-erden, in a light-tight container 2 on the front has a narrow window covered by a frosted glass pane 3, incandescent lamps 4. Are arranged. In front of the window, an endless belt 5 can be moved over panes 6, 7 is guided and half transparent. In the drawn middle position will the upper half of the illuminated window is covered by the tape 5. At a The not drawn scale can then indicate the height h of the light column thus created will.

Die Scheibe 7 ist nun mit dem drehbaren Abgriffkontakt 8 eines an eine Gleichstromquelle 9 angeschlossenen Spannungsteilerwiderstandes io mechanisch gekuppelt. Dabei ist das Thermoelement i über den jeweils abgegriffenen Teil des Widerstandes io an die Eingangsklemmen i i eines einstufigen magnetischen Verstärkers 12 angeschlossen.The disc 7 is now with the rotatable tap contact 8 on a direct current source 9 connected voltage divider resistor io mechanically coupled. The thermocouple i is connected to the tapped part of the Resistance io to the input terminals i i of a single-stage magnetic amplifier 12 connected.

Dieser wird aus einem Wechselstromnetz 13 gespeist, an das über entsprechende Klemmen 14 die Primärwicklung 15 eines Transformators 16 angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung in zwei Spulen 17 und 17' unterteilt ist. Von diesen Sekundärspulen wird je eine Sperrschicht-Gleichrichteranordnung i8 bzw. 18' gespeist, die gleichstromseitig über Widerstände ig, ig' so miteinander verbunden sind, daß sie in einer Stromüberlagerungsschaltung gegensinnig über einen Widerstand 2o an die Ausgangsklemmen 21 des magnetischen Verstärkers 12 angeschlossen sind. Andererseits sind an die Sekundärspulen 17, 17' je zwei auf Eisenkerne 22, 23 bzw. 24,25 gewickelte Drosselspulen 26, 27 bzw. 28, 29 angeschlossen. Die Drosselspulkerne tragen Steuerwicklungen 30, 31, 32, 33, die an die Eingangsklemmen i i des magnetischen Verstärkers 12 angeschlossen sind. Von dem Wechselstromnetz 13 wird außerdem über Widerstände 34, 34! eine Gleichrichteranordnung 35 gespeist, an die gleichstromseitig über den einstellbaren Abgriffkontakt eines Spannungsteilerwiderstandes 36 und je einen Vorwiderstand 37 bzw. 37' zusätzliche Wicklungen 38, 39 der Drosselspulkerne 22, 23 bzw. 40, 41 der Drosselspulkerne 24, 25 angeschlossen sind. Die Kerne 22 ... 25 tragen außerdem noch Hilfswicklungen 42, 43, 44, 45, die von dem Widerstand 2o abgezweigt sind.This is fed from an alternating current network 13, to which the primary winding 15 of a transformer 16 is connected via corresponding terminals 14, the secondary winding of which is divided into two coils 17 and 17 '. A junction rectifier arrangement i8 or 18 'is fed from these secondary coils, which are connected to one another on the DC side via resistors ig, ig' in such a way that they are connected in opposite directions via a resistor 2o to the output terminals 21 of the magnetic amplifier 12 in a current superimposition circuit. On the other hand, two inductor coils 26, 27 and 28, 29 each wound on iron cores 22, 23 and 24, 25 are connected to the secondary coils 17, 17 '. The choke coil cores carry control windings 30, 31, 32, 33 which are connected to the input terminals ii of the magnetic amplifier 12. From the alternating current network 13 is also via resistors 34, 34! A rectifier arrangement 35 is fed, to which additional windings 38, 39 of the choke coil cores 22, 23 and 40, 41 of the choke coil cores 24, 25 are connected on the DC side via the adjustable tapping contact of a voltage divider resistor 36 and a series resistor 37 or 37 '. The cores 22 ... 25 also carry auxiliary windings 42, 43, 44, 45, which are branched off from the resistor 2o.

An die Ausgangsklemmen 2i des magnetischen Verstärkers 12 ist eine Spule 46 angeschlossen, die in dem Felde eines dreischenkligen, durch eine von einer Gleichstromquelle 47 gespeiste Feldwicklung 48 erregten Magneten 49 beweglich ist. Die Spule 46 ist mit einem Steuerkolben 5o mechanisch verbunden, der in einem feststehenden Zylinder 51 geführt ist. Dem Zylinder wird -durch ein Rohr 52 ein von einer Pumpe 53 erzeugter Strom einer Druckflüssigkeit zugeführt. Außerdem ist der Zylinder 51 mit zwei nach außen führenden öffnungen 54, 55 und zwei Druckrohren 56, 57 versehen, die zu einem Arbeitszylinder 58 führen, in dem ein Kolben 59 zentrisch drehbar gelagert ist. Die mit 48 ... 59 bezeichneten Teile gehören zu einem die zweite Verstärkerstufe bildenden, an sich bekannten Hilfsgerät 6o. Die Welle des Arbeitskolbens 59 ist mit der Welle der Scheibe 6 gekuppelt.A coil 46 is connected to the output terminals 2 i of the magnetic amplifier 12 and is movable in the field of a three-legged magnet 49 excited by a field winding 48 fed by a direct current source 47. The coil 46 is mechanically connected to a control piston 5o which is guided in a stationary cylinder 51. A flow of pressure fluid generated by a pump 53 is fed to the cylinder through a pipe 52. In addition, the cylinder 51 is provided with two outwardly leading openings 54, 55 and two pressure pipes 56, 57 which lead to a working cylinder 58 in which a piston 59 is centrally rotatably mounted. The parts labeled 48 ... 59 belong to an auxiliary device 6o which is known per se and forms the second amplifier stage. The shaft of the working piston 59 is coupled to the shaft of the disk 6.

Wenn die zu messende Temperatur den Sollwert hat, so möge ebenso wie das Anzeigeglied 5 des Lichtsäulengeräts auch der Abgriffkontakt 8 in der Mittelstellung stehen. Dabei wird die von dem Thermoelement i erzeugte EMK durch den von der Gleichstromquelle 9 in dem abgegriffenen Teile des Widerstandes io hervorgerufenen Spannungsabfall ausgeglichen, so daß an den Eingangsklemmen i i des magnetischen Verstärkers 12 keine Spannung herrscht. Ändert sich nun die Temperatur in dem einen oder anderen Sinne um einen kleinen Betrag, so entsteht in den Steuerwicklungen 30...33 ein schwacher Gleichstrom. Dadurch wird die Vormagnetisierung der Drosselspulkerne 22 ... 25 so beeinflußt, daß an den Ausgangsklemmen 21 des magnetischen Verstärkers 12 eine Spannung entsteht, die der Eingangsspannung nach Größe und Richtung entspricht. Dabei wird der Verstärkungsfaktor infolge der durch die Hilfswicklungen 4a ... 45 hervorgerufenen sogenannten magnetischen Rückkopplung derart gesteigert, daß an den Ausgangsklemmen 21 ein verhältnismäßig starker Strom entsteht, der die bewegliche Spule 46 durchfließt.If the temperature to be measured has the setpoint value, the tap contact 8, like the display element 5 of the light column device, may also be in the middle position. The EMF generated by the thermocouple i is compensated for by the voltage drop caused by the direct current source 9 in the tapped part of the resistor io, so that there is no voltage at the input terminals ii of the magnetic amplifier 12. If the temperature changes by a small amount in one sense or the other, a weak direct current is generated in the control windings 30 ... 33. As a result, the premagnetization of the choke coil cores 22 ... 25 is influenced in such a way that a voltage is produced at the output terminals 21 of the magnetic amplifier 12 which corresponds to the input voltage in terms of magnitude and direction. In this case, the amplification factor is increased due to the induced by the auxiliary windings 4a ... 45 so-called magnetic feedback such that a relatively large current is produced at the output terminals 21, which flows through the movable coil 46th

In der Ruhelage wird der Steuerkolben 5o durch eine nicht dargestellte Federanordnung in der gezeichneten Stellung gehalten, in der die Druckrohre 56, 57 verschlossen sind. Unter dem Einfluß des Ausgangsstromes des magnetischen Verstärkers 12 wird nun infolge der Kraftwirkung in dem Felde des Magneten 49 der Steuerkolben in der einen oder anderen Richtung bewegt, so daß die Druckflüssigkeit durch eines der Rohre 56 öder 57 auf die eine oder andere Seite des Arbeitskolbens 59 geleitet wird. Zugleich dreht dieser einerseits die Scheibe 6, wobei das Band 5 entsprechend verschoben wird, und verstellt andererseits den Abgriffkontakt 8 im Sinne eines erneuten Abgleichs der Kompensationsschaltung, so daß die' Eingangsspannung des magnetischen Verstärkers 12 und damit auch der Ausgangsstrom wieder verschwindet.In the rest position, the control piston is 5o by a not shown The spring arrangement is held in the position shown, in which the pressure pipes 56, 57 are locked. Under the influence of the output current of the magnetic amplifier 12 is now due to the force in the field of the magnet 49 of the control piston moves in one direction or the other, so that the pressure fluid through one of the tubes 56 or 57 to one side or the other of the working piston 59 will. At the same time, it rotates the disk 6 on the one hand, with the band 5 accordingly is moved, and on the other hand adjusted the tap contact 8 in the sense of a rebalancing the compensation circuit so that the 'input voltage of the magnetic amplifier 12 and thus the output current disappears again.

Es hat sich gezeigt, daß mittels einer Einrichtung gemäß der Erfindung eine außerordentlich hohe Verstärkung erreicht werden kann, so daß durch eine sehr kleine Änderung der Meßgröße eine sehr große Kraft gesteuert werden kann, und zwar ohne daß ein unzulässig großer Nullpunktsfehler auftritt. Wenn keine Anzeige, sondern nur eine Regelung der Meßgröße, z. B. der Temperatur eines Ofens, auf den Sollwert gewünscht wird, so wird die EMK des Thermoelementes vorzugsweise durch den Spannungsabfall an einem unveränderlichen Widerstand kompensiert und die Bewegung des Arbeitskolbens 59 z. B. zum Steuern der Energiezufuhr zu dem Ofen benutzt.It has been shown that by means of a device according to the invention an extremely high gain can be achieved, so that by a very small change in the measured variable a very large force can be controlled, namely without an impermissibly large zero point error occurring. If not an ad, but only a regulation of the measured variable, z. B. the temperature of an oven, to the setpoint is desired, the EMF of the thermocouple is preferably determined by the voltage drop at an immutable Resistance compensates and the movement of the working piston 59 z. B. used to control the supply of energy to the furnace.

Claims

PATEVTA \ LANGUAGE: i. Means for controlling a relatively large force by means of an electrical measured variable of very small power by means of a two-stage amplifier arrangement, the second amplifier stage from one through the Output current of the first amplifier stage is moving member that is with itself known means a pneumatic or hydraulic auxiliary power according to size and Direction controls, characterized in that the first amplifier stage consists of one single-stage magnetic zero current amplifier (i2), its input circuit (ii) in the zero current branch of an electrical compensation or bridge measuring circuit lies.

2. Device according to claim i, characterized in that the auxiliary power (53) feeds an engine ( 58,59) which is coupled on the one hand to a display element (5) for the measured variable and on the other hand to an adjusting element (8) for the measuring switching.

3. Device according to claim i or 2, characterized in that the magnetic amplifier (i2) consists of an alternating current differential circuit, which contains choke coils (26, 27 and 28, 29) in both branches, their iron cores (22, 23 or 2.4, 25) on the one hand on the one to be measured and on another direct current quantity (35) pre-magnetized and, on the other hand, each with a further additional direct current pre-magnetization (q.2.43 or 44.45) are provided with respect to the size and direction of the difference corresponding to the alternating currents flowing in the two branches of the differential circuit.

4. Device according to claim i, 2 or 3, characterized in that the output current (2i) of the magnetic amplifier (i2) a movable one in the field of a magnet (-fg) Coil (46) flows through, which is coupled to a control member (50), which is a pressure fluid (53) depending on the direction of the amplifier output current to one or the other Side of a working piston (59) can act. To delimit the subject matter of the invention From the state of the art, the following publication is to be considered in the granting procedure drawn: German patent specification No. 686 6o3.