-
Anordnung zur elektrischen Regelung einer Größe, die sich mit dem
Verhältnis zweier anderen Größen ändert Die Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung
zur elektrischen Regelung einer Größe, die sich mit dem Verhältnis zweier anderen
Größen ändert. Hierbei stellt sich die Regelaufgabe, wie in Abb. r schematisch wiedergegeben,
im allgemeinen folgendermaßen dar. Der Regelstrecke r wird bei 2 ein Energiestrom
oder ein Mengenstrom zugeführt, der bei 3 in einer gegebenenfalls umgewandelten
Form wieder entnommen wird. Innerhalb der Regelstrecke soll als Regelgröße ein bestimmter
Zustand, der sich mit dem Verhältnis der beiden Ströme, Zufuhr und Entnahme, ändert,
eingeregelt werden. Um dies zu bewerkstelligen, ist innerhalb der Regelstrecke das
Meßinstrument 5 für die Regelgröße angeordnet, das mit dem Regler 6 in Verbindung
steht. Weiterhin müssen aber, um eine stabile Regelung zu erzielen, der zugeführte
und entnommene Mengen- bzw. Energiestrom berücksichtigt werden. Das geschieht durch
die Meßinstrumente 4 und 8 in der Zuführungs- und Entnahmeleitung, welche ebenfalls
Impulse auf den Regler 6 geben. Die Regelung erfolgt durch entsprechende Bemessung
der Zufuhr. Hierzu betätigt der Regler das Ventil 7.
-
Für das einwandfreie Arbeiten einer solchen Regelanordnung ist es
von außerordentlicher Bedeutung, daß die Einwirkungen der einzelnen Impulse im Regler
richtig aufeinander abgestimmt sind. Würde man nur die Zufuhr und den bestehenden
Zustand, also die Angaben von 4 und 5 im Regler auswerten, so ergäbe sich eine Abhängigkeit
des eingeregelten Zustandes, d. h. der Regelgröße von der Entnahme. Es sei hier
zur näheren Erläuterung als Beispiel die Wasserstandsregelung in einem Dampfkessel
erwähnt. In diesem Fall wird der Regelstrecke, d. h. dem Dampfkessel,
an
der einen Seite das Speisewasser zugeführt und an der anderen der Dampf entnommen.
Da die Regelstrecke hierbei ein gewisses Speichervermögen hat, bezeichnet man eine
solche Regelung auch als eine Speicherwertregelung. Regelt man hierbei die Wasserzufuhr
nur nach dem Wasserstand ein, so ist zur Aufrechterhaltung der Stabilität eine Abhängigkeit
des Wasserstandes von der gesteuerten Speisewassermenge, d. h. also auch von der
Dampfentnahme notwendig. Es ergeben sich die Verhältnisse, wie sie in Abb. 2 durch
die gestrichelte Linie dargestellt sind. Mit steigender Belastung (entnommene Dampfmenge)
sinkt die Regelgröße (Wasserstand) ab. Um die gewünschte Unabhängigkeit der Regelgröße
von der Belastung zu erreichen, muß ein Impuls proportional zur Belastung gegeben
werden, bzw. es muß das Verhältnis der Zufuhr zur Belastung (Wasser zu Dampf) in
die Regelung eingebracht werden. Demnach ergibt sich als Voraussetzung für die in
Abb. 2 durch die ausgezogene Linie dargestellte Unabhängigkeit des eingeregelten
Zustandes (in vorliegendem Beispiel des Wasserstandes) von der Belastung (Dampfentnahme),
daß das Verhältnis Zufuhr zur Belastung (Wasser zu Dampf) möglichst genau geregelt
wird und davon unabhängig der einzuregelnde Zustand (Wasserstand) als Impuls in
einem ganz bestimmten Verhältnis in die Regelung eingeführt wird.
-
Außer diesen grundsätzlichen Forderungen sind an die Regelanordnung
noch die weiteren für die praktische Anwendbarkeit notwendigen Forderungen zu stellen,
daß die Anpassung an die verschiedenen örtlichen Verhältnisse einfach sein muß.
Es muß also die Einstellung des Verhältnisses der beiden Ströme in möglichst weiten
Grenzen möglich sein. Dieses Verhältnis ist nicht immer gleich i, da ein Teil der
abgehenden Menge oder Energie nicht vom Meßgerät 8 erfaßt wird, sondern anderweitig
die Regelstrecke verläßt. Die Wirksamkeit des Impulses für den gemessenen Zustand
muß ebenfalls ohne besondere Eingriffe in den Regler leicht varüerbar sein.
-
Diese letzteren Forderungen sind besonders einfach bei der elektrischen
Regelung zu erfüllen. Bei dieser hat man bisher die Berücksichtigung der drei Impulse
in einer einfachen Brückenschaltung vorgenommen. Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform
einer derartigen bekannten Anordnung zur Regelung des Wasserstandes eines Dampfkessels.
Dem Kessel wird das Speisewasser über die Leitung 9 zugeführt. In derselben befindet
sich der Mengenmesser io und das Ventil ii. Der Dampf wird bei 12 entnommen und
durch einen Mengenmesser 13 gemessen. Die beiden Mengenmesser wüken auf die beiden
veränderlichen Widerstände 14 und 15, die in benachbarten Zweigen der Brücke liegen.
16 ist ein Wasserstandsmesser. In den beiden Eckpunkten der Brücke liegen zwei Widerstände
mit Abgriff, von denen der eine, 17, von Hand und der andere, 18, durch den Wasserstandsmesser
16 betätigt wird. i9 ist die Spule des Nullinstrumentes, welches die Betätigung
des Ventils ii in der Wasserzufuhrleitung anregt, bis der Nullabgleich der Brücke
erreicht ist.
-
Die Wirkungsweise der bekannten Anordnung ist nun so gedacht, daß
einmal das Verhältnis Wasserzur Dampfmenge entsprechend dem am Schleifer 17 eingestellten
Wert eingeregelt wird und daß dieses Verhältnis entsprechend den Abweichungen vom
Sollwasserstand durch den Schleifer 18 korrigiert wird. Bei der angegebenen Schaltung
ist das eingeregelte Verhältnis aber nicht unabhängig von der Belastung, d. h. von
der Dampfentnahme, da die Brückenzweige für die beiden veränderlichen Widerstände
14 und 15 noch die durch den Schleifer 18 abgeteilten festen Widerstände enthalten.
Nur solange die Brücke symmetrisch ist, also das Verhältnis i : i besteht, ist das
eingeregelte Verhältnis unabhängig von den absoluten Werten der Widerstände und
damit von der Belastung. Außerdem ist auch die Größe der Einwirkung des vom Wasserstand
gegebenen Impulses von dem eingestellten Brückenverhältnis abhängig, d. h. eine
gleiche Bewegung des Schleifers 18 bewirkt bei verschiedenen Stellungen des Schleifers
17 auch verschiedene Änderungen der Wasserzufuhr. Wenn diese Abweichungen auch teilweise
im praktischen Betrieb gering sind, so können sie doch störend in Erscheinung treten.
Schließlich gestattet die bekannte Brückenanordnung nicht, auf elektrischem Wege
die Wirksamkeit der Impulse in beliebigen Grenzen gegeneinander zu verändern. Dadurch,
daß die verschiedenen Widerstände für die Darstellung der einzelnen Meßwerte in
einer Brückenschaltung vereinigt sind, kann die Einwirkung ihrer Änderung auf den
Regelvorgang nur in engen Grenzen beeinflußt werden.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden diese Nachteile beseitigt,
indem sie die bereits eingangs gestellten Forderungen, das Verhältnis der beiden
Mengenströme unabhängig von der Belastung einzuregeln und den Wasserstandssollwert
als unabhängigen Impuls einzuführen, voll erfüllt. Hierzu werden bei der Erfindung
die beiden maßgebenden Impulse, nämlich das Verhältnis der beiden Größen, z. B.
der Mengen- bzw. Energieströme, und die Größe des einzuregelnden Zustandes unabhängig
voneinander durch elektrische Werte dargestellt und dem Regelinstrument ohne merkliche
Rückwirkung aufeinander rein additiv zugeführt, und das Regelinstrument regelt beim
Sollwert der Regelgröße den Verhältniswert, welcher für die Aufrechterhaltung des
Sollzustandes notwendig ist. Für die praktische Durchführung dieser additiven Einführung
der beiden Impulse gibt es verschiedene Möglichkeiten. Man kann z. B. den Impuls
für den einzuregelnden Zustand durch eine Spannung darstellen, die beim Sollzustand
den Wert Null hat. Diese Spannung wird dann zusätzlich unmittelbar an die Klemmen
des Regelinstrumentes angelegt, welches als Nullinstrument in einer Brücke für die
Verhältnisbestimmung liegt. Solange der Sollwasserstand besteht, wird das eingestellte
Verhältnis der beiden Mengen- bzw. Energieströme nunmehr unabhängig von der Belastung
eingeregelt, da keine festen Widerstände zur Berücksichtigung des Wasserstandes
notwendig sind. Bei einer Abweichung des Wasserstandes vom Sollwert erfährt das
Regelgerät einen rein additiven Impuls, welcher den Regelvorgang zusätzlich beeinflußt.
Für die Erzeugung dieses Impulses kann ebenfalls eine
Brückenschaltung
dienen, die leicht so ausgebildet werden kann, daß eine gegenseitige Störung dei
beiden Schaltungen nicht eintritt. Verwendet man eine Wechselstrombrücke zur Regelung,
so kann diese zusätzliche Spannung durch einen am Instrument liegenden Transformator
ohne weitere Störungen leicht eingebracht werden. Es ist jedoch günstiger, wenn
man die Stromkreise für die beiden Impulse vollkommen trennt, indem man sie auf
zwei verschiedene Erregerspulen des Regelinstrumentes wirken läßt, wenn man also
z. B. ein Drehspulbrückeninstrument mit zwei Wicklungen verwendet.
-
Dieser Fall sei an Hand der Abb. 4 für eine Wasserstandsregeleinrichtung
dargestellt. Gegenüber der Schaltung nach Abb.3 ist der Widerstand 18 fortgefallen.
Ferner soll auf dem Rahmen des Nullinstrumentes noch eine zweite Spule 2o aufgebracht
sein, durch welche der zusätzliche Regelimpuls des Wasserstandsmessers in die Schaltung
eingebracht wird. Solange der Sollwert besteht, soll der zusätzliche Regelimpuls
Null sein, und das Nullinstrument regelt dann nur das durch die Brückendaten und
die Stellung des Schleifers 17 gegebene Verhältnis von Wasser zu Dampf unabhängig
von der Belastung ein. Weicht der Wasserstand vom Sollwert ab, so erhält die zweite
Spule einen Strom. Sie bringt dadurch das Nullinstrument auch bei genau eingeregeltem
Verhältnis der beiden Mengenströme zum Ausschlag, und zwar in solcher Form, daß
durch die nunmehr geänderte Wasserzufuhr der Wasserstandssollwert wieder eingeregelt
wird.
-
Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist
es, daß nunmehr das Verhältnis der Wirksamkeit der Impulse zueinander auf einfachste
Weise in weitesten Grenzen verändert werden kann, dann es ist leicht möglich, die
Größe des vom Wasserstandsmesser gegebenen Impulses auf elektrischem Wege zu ändern.
Dies ist für die praktische Anwendung der Regelanordnung von außerordentlicher Bedeutung.
Die Art, in welcher Weise die Spannungen an der Spule 2o durch den Ausschlag des
Wasserstandsmessers erzeugt werden, ist an sich beliebig. Es gibt in der Elektrotechnik
hierfür genügend geeignete Schaltungen. In weiteren Ausführungsbeispielen sind einige
näher erläutert.
-
Es sind insbesondere bereits auch Schaltungen vorgeschlagen worden,
welche die Regelung des Verhältnisses zweier Mengenströme in besonders günstiger
Weise gestatten. Eine solche Schaltung, die Gegenstand des Patentes 750 937
ist, sei an Hand der Abb. 5 kurz beschrieben. Es ist hierbei wie bei den schon bereits
bekannten Anordnungen vorausgesetzt, daß die beiden Mengenströme, deren Verhältnis
geregelt werden soll, von zwei Mengenmessern gemessen werden, welche die Bürsten
von zwei Widerstandsgebern verstellen. Diese Widerstandsgeber sind in Abb. 5 mit
21 und 22 bezeichnet. Sie liegen je in Reihe mit zwei festen Widerständen 23 und
24 vorzugsweise gleicher Größe. Je ein Ende der Widerstandsgeber und der Festwiderstände
ist, wie gezeichnet, mit je einer Spule 25 und 26 eines Doppelspulinstrumentes verbunden,
so daß eine Serienschaltung: Spule 25, Widerstandsgeber 22, fester Widerstand 24,
Spule 26, Widerstandsgeber 21, Widerstand 23, zurück zur Spule 25 entsteht. Parallel
zu den beiden Serienwiderständen 21, 23 und 22, 24 liegen zwei veränderliche Widerstände
27 und 28. Die Stromzuführung erfolgt von der Spannungsquelle 31 über die beiden
Bürsten 29 und 3o der Widerstandsgeber 21 und 22. Das Doppelspulinstrument wirkt
als Nullinstrument; die beiden Spulen 25 und 26 sind gegeneinandergeschaltet, so
daß sich ihre Wirkung aufhebt, solange in ihnen gleiche Ströme fließen. Das ist
immer dann der Fall, wenn die Bürstenstellungen an den Widerstandsgebern 21 und
22 einem bestimmten Verhältnis entsprechen, das durch die Größe der Widerstände
27 und 28 gegeben ist. Solange also die beiden Mengenströme, welche über die Mengenmesser
die Bürsten 29 und 3o betätigen, dieses Verhältnis einhalten, schlägt das Instrument
nicht aus. Weichen sie von diesem Wert ab, so betätigt das Nullinstrument Kontakte,
welche ein Ventil in einem der Mengenströme in dem Sinne betätigen, daß das gewünschte
Verhältnis wieder hergestellt wird. Die Einstellung des Sollwertes geschieht einfach
und in weiten Grenzen durch Veränderung eines der Widerstände 27 oder 28, während
der andere zur Anbringung von Korrekturen dienen kann. Auch diese Anordnung gestattet
in einfachster Weise die Hinzufügung eines weiteren Regelimpulses in der erfindungsgemäßen
Weise, der durch die Zuschaltung einer zusätzlichen dritten Spule rein additiv wirkt.
Eine hierfür geeignete Schaltung zeigt Abb. 6. 25, 26 und 32 sind die drei Spulen
des Nullinstrumentes. Die beiden oberen Spulen 25 und 26 entsprechen den in Abb.
5 mit 25 und 26 bezeichneten Spulen und gehören zu der bereits beschriebenen Verhältnisschaltung,
die ebenfalls die gleichen Bezugzeichen wie in Abb. 5 hat. Für den Fall der Wasserstandsregelung
in einem Dampfkessel wird der Abgriff des Widerstandes 21 durch die Speisewassermenge,
derjenige des Widerstandes 22 durch die Dampfmenge betätigt. Das Nullinstrument
steuert das Speisewasserventil. Die dritte Spule 32 des Nullinstrumentes liegt in
einer Brücke, welche die beiden Widerstände 33 und 34 mit den beweglichen Abgriffen
35 und 36 enthält. Der Abgriff 35 wird vom Wasserstandsmesser und 36 entsprechend
dem gewünschten Wasserstandssollwert von Hand verstellt. 37 ist die Spannungsquelle,
welche über den veränderlichen Widerstand 38 an die beweglichen Abgriffe 35 und
36 angeschlossen ist. Durch Veränderung des Widerstandes 38 kann auf einfachste
Weise der Grad der Beeinflussung der Regelschaltung durch den Wasserstand eingestellt
werden. Die Spannungsquelle 37 für die Wasserstandsmeßanordnung kann zweckmäßigerweise
mit der Spannungsquelle 31 für die Berücksichtigung der Mengenverhältnisse
vereinigt werden. Es ist leicht zu erkennen, daß bei der Sollstellung des Wasserstandes
in der Spule 32 kein Strom fließt und daher nur das reine Verhältnis Wasser zu Dampf
in der oberen Brücke eingeregelt wird. Weicht aber der Wasserstand vom Sollwert
ab, so erfährt das Nullinstrument durch den in der Spule 32 fließenden Strom eine
Auslenkung, welche zusätzlich das Wasserzuflußventil so steuert, daß derSollwert
des Wasserstandes wieder eingeregelt wird. Durch entsprechende Bemessung der Wicklung
32 sowie Abstimmen der
anderen Schaltungselemente aufeinander ist
es sehr leicht möglich, den Einfluß der verschiedenen Impulse in weiten Grenzen
zu variieren. Insbesondere ist es bei einer einmal festliegenden Anordnung sehr
einfach, durch Änderung der veränderlichen Widerstände 27 und 28 sowie durch Änderung
der Spannung für die beiden Stromkreise sie jeweils an die örtlichen Verhältnisse
anzupassen. Die Berücksichtigung dr Abschlammverluste kann leicht am Widerstand
28 geschehen, wenn 27 der Einstellung des Grundv:_-hältnisses vorbehalten ist.
-
In Abb. 7 ist eine andere besonders einfache Form für die Erzeugung
eines vom Kesselwassersta::d abhängigen Regelimpulses dargestellt. Das Grundp :inzip
dieser Anordnung ist an sich bekannt. In dem Wasserstandsrohr 39 befindet sich ein
Schwimmer 40, wAcher den Eisenkern 41 innerhalb der Spule 42 verstellt. Die Spule
42 befindet sich außerhalb des Druckraumes, ist in der Mitte angezapft und an die
Wechselstrombrückenschaltung nach Abb. 8 angeschlossen. Je nach Stellung des Kernes
41 wird der Brückenstrom geändert. Dieser wird im Gleichrichter 43 gleichgerichtet
und der dritten Spule der Regelanordnung zugeführt.
-
Die Anwendung der beschriebenen Schaltung ist nicht allein auf die
Speisewasserregelung beschi änkt. Sie kann leicht in allen den Fällen mit Vorteil
erfolgen, in denen eine Größe geregelt werden soll, die sich mit dem Verhältnis
zweier anderen Größen ändert, wie dies eingangs bereits beschrieben wurde. Ein besonders
hervorstechendes Anwendungsgebiet ist bei der Dampfkesselregelung auch noch die
Regelung des Dampfdruckes. Es war hier bisher häufig üblich, Dampfdruck und Dampfmenge
durch einen gemeinsamen Impuls, nämlich durch den Dampfdruck hinter dem Überhetzer
zu berücksichtigen. Das hat sich aber als unvorteilhaft herausgestellt, weil zwischen
Dampfmenge und dem genannten Regelimpuls kein linearer Zusammenhang besteht. Der
Regelimpuls müßte daher je nach Belastung des Kessels in verschiedenem Maße zur
Auswirkung kommen, was jedoch praktisch nur schwer durchführbar ist und daher nicht
geschieht. Die Regelung soll deshalb in der erfindungsgemäßen Weise so erfolgen,
daß z. B. mittels der schon beschriebenen Schaltung nach Abb. 6 einmal das Verhältnis
von Feuerungsleistung (Brennstoff- bzw. Verbrennungsluftmenge) zur Dampfmenge eingeregelt
wird und als dritter Impuls der Dampfdruck wirkt. Es wird also der Abgriff des Widerstandes
21 von einem Dampfmengenmesser verstellt, während der Abgriff des Widerstandes 35
von dem Dampfdruck an einem Gleichdruckpunkt, also an einem Punkt, an dem der Dampfdruck
im Kessel praktisch konstant sein soll, betätigt wird. Der Abgriff des Widerstandes
22 wird von einer Größe, welche die Feuerleistung des Kessels beeinflußt, also entweder
von der Brennstoffmenge oder von der Luftmenge verstellt und diese Größe wird auch
durch das Nullinstrument geregelt. Gegebenenfalls muß dann noch, wie dies auch sonst
üblich ist, das Verhältnis Brennstoff- zur Luftmenge in einem Verhältnismesser geregelt
werden. Auch in diesem Aufbau bietet die erfindungsgemäße Schaltung die schon für
die Speisewasserregelung und andere Regelvorgänge geschilderten Vorteile der weitgehenden
Anpaßmöglichkeiten an alle vorkommenden Verhältnisse und der genauen Regelung unabhängig
von der Belastung des Kessels bei einer relativ einfachen Schaltung.