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Temperaturregler mit temperaturabhängigem Widerstand als Fühler Die
Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturregler, der ein Ansprec'hinstrument mit
mindestens einer Spule aufweist, die in Reihe mit einem als Temperaturfühler dienenden,
temperaturabhängigen Widerstand geschaltet ist. Als Ansprechinstrumente kommen z.
B. Kontaktgalvanometer, Differentialrelais oder als Kontaktgeber ausgebildete Ferrarisinstrumente
in Frage.
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Bei den an sich bekannten Ausführungen eines solchen Temperaturreglers
sind außerordentlich empfindliche Ansprechinstrumente erforderlich, weil die für
die Temperaturfühler praktisch verwendeten Metalle nur einen verhältnismäßig kleinen
Temperaturkoeffizienten aufweisen, so daß die Widerstandsänderungen der Temperaturfühler
sich nur innerhalb enger Grenzen bewegen.. Der Temperaturregler nach der Erfindung
zeichnet sich durch Vermeidung dieses Nachteils dadurch aus, daß der in der Spule
des Ansprechinstrumentes fließende Strom noch von mindestens einem anderen temperaturabhängigen
Widerstand beeinflußt wird, und zwar im Sinne einer Vergrößerung der Empfindlichkeit
der Regelung.
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In der Zeichnung zeigt Fig. i die bisher übliche Schaltung des Temperaturfühlers
und der Spule des Anspruchinstrumentes, Fig. 2, 4, 5, 6 und 7 beispielsweise Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Temperaturreglers, Fig. 3 ein Diagramm zu Fig. i und 2.
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Im folgenden wird als Ansprechinstrumentein als Kontaktgeber ausgebildetes
Ferrarisinstrument verwendet;
es kann aber ebensogutein Differentialrelais
oder ein Kontaktgalvanometer verwendet werden. Mit dem Ansprechinsrtrument werden
dann durch direkte oder indirekte Steuerung die Organe geschaltet, von denen die
zu regelnde Temperatur abhängt.
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In Fig. i ist die bei einem Temperaturregler bisher übliche Anordnung
des Temperaturfühlers i in Reihe mit der Spule 2 des Ahsprechinstrumentes schematisch
dargestellt. Eine Temperaturänderung am Fühler i bewirkt eine Veränderung seines
Widerstandes und demzufolge eine Änderung des Stromes. Für eine bestimmte Temperaturänderung
am Fühler i ist die erzielte Stromänderung um so größer, je größer das Verhältnis
des Fühlerwiderstandes zum Spulennviderstand des Ansprechinstrumentes ist. Als Fü'hlerwiderstand
kann irgendein Material mit, einem möglichst großen Temperaturkoeffizienten, der
positiv, wie z. B. bei Metallen, oder negativ, wie z. B. bei Kohle oder elektronischen
Halbleitern, ist, verwendet werden. Im Diagramm (Fig. 3) stellt die Kurve a die
prozentuale Zunahme des Stromes Jsp für eine Vergrößerung des Fühlerwiderstandes
um io °/o in Funktion des Verhältnisses der Leistung im Fühlerwiderstand LF zur
Leistung in der Spule des Ansprechinstrumentes Lsp dar.
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Bei dem Temperaturregler nach Fig. 2 ist nun ein temperaturabhängiger
Widerstand 3, z. B. eine Metalldrahtglühlampe, parallel zur Spule 2 des Ansprechinstrumentes
geschaltet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist nun die folgende: Nimmt der Widerstand
des Fühlers i zu, so sinkt der Strom in der Spule 2 und in der Lampe 3. Dadurch
sinkt deren Glühfadentemperatur und damit er Widerstand des Glühfadens, so daß nunmehr
der durch den Temperaturfühler i fließende Strom sich anders aufteilt, indem durch
den temperaturabhängigenWiderstand3 relativ mehr und durch die Spule 2 des Ansprechinstrumentes
relativ weniger Strom fließt. Dadurch wird die ursprüngliche Stromänderung in der
Spule 2 des Ansprechinstrumentes also verstärkt. Infolge der Widerstandsänderung
der Lampe 3 fließt dann ein größerer Totalstrom alsi bei gleichbleibendem Widerstand,
was wieder zur Folge hat, daß der Spannungsabfall am Temperaturfühler größer und
damit der Spulenstrom nochmals verkleinert wird.
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Durch die Zuschaltung des als thermischer Verstärker wirkenden temperaturabhängigen
Widerstandes 3 wird nun aber die Leistung im Temperaturfühler erhöht. Soll die Anordnung
einen Vorteil bringen, so muß die relative Verstärkung größer sein als die Wirkung,
die bei gleicher Fühlerleisrtung ohne thermischen Verstärker erzielt würde. Ein
Vergleich. beider Anordnungen hat also unter Zugrundelegung eines gleichen 'Verhältnisses
der Fühlerleistung zur Spulenleistung zu erfolgen.
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Im Diagramm Fig. 3 stellt die Kurve b einen solchen Vergleich dar,
unter Verwendung einer Metalldrahtglühlampe als thermischer Verstärker, hei einer
Fadentemperatur in der Größenordnung von 5oo° C und einem Verhältnis von i : i zwischen
Spulenwiderstand und Lampenwiderstand. Der Verlauf dieser Kurve, bei der ebenfalls
eine Vergrößerung des Fühlerwiderstanäes um io % angenommen ist, zeigt, daß die
prozentuale Zunahme des Stromes Isp mit zunehmendem Verhältnis der Fühlerleistung
zur Spulenleisitung rasch auf große Werte zunimmt. Die durch den thermischen Verstärker
erzielte Versbesserung, also
ist in Fig. 3 durch die Kurve c dargestellt, welche die erzielte Verstärkung h in
Prozent angibt und für welche die Skala rechts dient. Daraus geht hervor, daß im
vorliegenden Beispiel mindestens eine Verstärkung von 18 % erreicht wird.
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Eine ähnliche Verstärkerwirkung läßt sich erzielen, wenn ein temperaturabhängiger
Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten in Reihe mit Temperaturfühler und
Spule des Ansprechinstrumentes geschaltet wird. Da der Verstärker in Luft arbeitet,
ist seine Temperaturänderung für eine bestimmte Stromänderung relativ groß, wodurch
auch sein Widerstand sich stark ändert und eine große Verstärkerwirkung erzielt
wird.
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Der beschriebene Temperaturregler hat noch den Nachteil der Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur, de. der Verstärker 3 der Temperatur der Umgebung ausgesetzt
ist. Man könnte dies beheben, indem man. den Verstärker,in ein Gehäuse mit konstanter
Temperatur bringt. Viel einfacher als dies ist jedoch die Anwendung eines zweiten
gleichen Verstärkers im Stromkreis einer zweiten Spule des Ferrariskontaktinstrumentes.
Beide Verstärker wirken sich dann entgegen, wodurch die Temperaturabhängigkeit aufgehoben
wird. Durch die Gegenschaltung der beiden Spulen des Ferrariskontaktinsirumentes
ist die Anordnung außerdem spannungsunabhängig. Die vorbeschriebene Anordnung hat
aber noch einen weiteren Vorteil. Es ist bekannt, däß jeder Temperaturregler, an
dessen Genauigkeit höhere Anforderungen gestellt werden, eine Rückführung benötigt.
Diese bewirkt eine vorübergehende Verstellung des eingestellten Regelsollwertes,
welche nach erfolgter Korrektur der regulierten Temperatur wieder verschwindet.
Die Einführung einer Rückführung läßt sich nun bei der vorbeschriebenen Anordnung
auf sehr einfache Art ermöglichen. Beheizt man nämlich :den als thermischen Verstärker
wirkenden Widerstand durch eine. separate Heizwicklung, so ergibt sich eine Änderung
des Spulenstromes, was einer Verschiebung des Sollwertes gleichkommt. Wird die Beheizung
ausgeschaltet, so verschwindet diese Verschiebung wieder. Es ist nun lediglich nötig,
diese Beheizung jeweils durch den Kontakt des Ansprechi:nstrumentes aus- und einschalten
zu lassen, um die giewünschte Rückführung zu erzielen. Das Ansprecbinstirument wird
durch die infolge der Beheizung des thermischen Verstärkers entstehende Sollwertverschiebung
vorzeitig rückgeführt und schaltet seinen Kontakt aus, bevor dies durch die Temperaturänderung
des, regulierten Mediums geschieht. Man erhält damit bei einem Auf-Zu-Ansprech.instrument
eine starre und bei einem progressiv wirkenden Ansprechinst:rument
eine
elastische Rückführung. Die Rückführgröße ist durch die Heizleistung des thermischen
Verstärkers und die Rückführzeit durch dessen Abkühlzeit gegeben. Beide Faktoren
können verändert werden, womit der Regler an jedes Objekt angepaßt werden kann.
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In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, in welcher i den
Temperaturfühler darstellt, der in Reihe mit der Spule 2 des Ansprechinstrumentes
liegt. Parallel zur Spule 2 liegt der als thermischer Verstärker bezeichnete temperaturabhängige
Widerstand 3 mit positivemTemperatur!koeffizienten. Der Widerstand 3 kann durch
die als Rückführung wirkende Heizwicklung 4, welche über den Kontakt 6 des Ansprechinstrumentes
an Spannung gelegt werden kann, beheizt werden. Die zweite Spule 21 des Ansprechinstrumentes
liegt in Reihe mit einem regulierbaren Widerstand 5, welcher zur Einstellung der
gewünschten Regelsolltemperatur dient und parallel zum thermischen Verstärker
31, welcher seinerseits durch die Heizwicklung 41, die ebenfalls über den
Kontakt 6 des Ansprechinstrumentes an Spannung gelegt wird, beheizt werden kann.
Durch den Kontakt 6 des Ansprechinstrumentes wird außerdem das Regelorgan 7 in der
gewünschten Richtung betätigt.
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In der Fig. 5 ist eine ähnliche Anordnung wie in der Fig. 4 dargestellt,
jedoch mit dem Unterschied, daß die thermischen Verstärker 3 und, 31 einen
negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.
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In der Fig. 6 ist ebenfalls eine Anordnung wie in der Fig. 4 dargestellt,
jedoch weisen die thermischen Verstärker 3 und 3 i positiven und die thermischen
Verstärker 8 und 8 1 negativen Temperaturkoeffizienten auf. Die Wirkungsweise
dieser Anordnungen ist nach der Beschreibung der Wirkungsweise der grundsätzlichen
Anordnung gemäß der Fig. 2 ohne weiteres verständlich.
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Verwendet man als Ansprechinstrument ein Ferrariskontaktinstrument,
so ist dessen Empfindlichkeit durch seine Anlaufleistung aus dem Stillstand, und
diese wieder durch die Haftreibung gegeben. Es läßt sich damit eine bestimmte Empfindlichkeit
erzielen. Wünscht man diese noch weiter zu erhöhen, so ist dies durch folgende Maßnahme
möglich: Das bewegliche System des Ansprechinstrumentes wird mit einer Feder gekoppelt,
so daß jeder Drehmomentsänderung eine bestimmte Änderung des Drehwinkels entspricht.
Durch einen in der Fig. 7 mit io bezeichneten Zeitschalter wird nun mit einer bestimmten
Periode abwechslungsweise die eine und die andere der beiden Rückführheizungen mit
reduzierter Heizleistung eingeschaltet, wodurch das bewegliche System in eine periodische
Schwin, gung verfällt. Zur Einstellung der reduzierten Heizleistung dient dabei
der einstellbare Widerstand i i. Die Abstände der beiden Kontakte des Kontaktinstrumentes
können nun so klein gewählt werden, daß ohne eine Verschiebung des Sollwertes gerade
noch keine Berührung eintritt, jedoch bei der kleinsten Verschiebung schon Kontaktentsteht.
Auf diese Weise muß nicht erst die Haftreibung überwunden werden, deren Wirkung
wird vielmehr durch die aufgedrückte mechanische Schwingung beseitigt. Daraus ergibt
sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit der ganzen Anordnung.
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Die beschriebene Regleranordnung hat verschiedene Anwendungsmöglichkeiten.
So kann damit beispielsweise eine Temperatur konstant gehalten werden, sei es durch
Auf-Zu-Regelung mit starrer Rückführung oder durch progressive Regelung mit elastischer
Rückführung. Andrerseits kann damit eine regulierte Temperatur in Funktion einer
zweiten Temperatur verstellt werden, indem an Stelle des Einstellwiderstandes 5
ein zweiter Temperaturfühler eingefügt wird.
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Ferner kann parallel zum Ferrariskontaktinstrument ein Ferrarisinstrument
mit Temperaturskala angeordnet werden, zwecks Fernanzeige der Temperatur. Es ist
ebenfalls einleuchtend, da.ß eine Fernverstellung der einregulierten Temperatur
.von einem beliebigen Ort aus ohne Schwierigkeiten möglich ist.