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Temperaturfühler für Thermostate Die Erfindung bezieht sich auf Temperaturfühler
für Thermostate und betrifft eine thermische Rückführung bei Apparaten dieser Art.
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Die in jeder thermischen Anlage auftretenden Regelverzögerungen zwischen
Wärmequelle und Thermostat haben je nach Regelprinzip eine Überregelung bzw. Vergrößerung
der Regelschwankungen zur Folge, welche durch Einbau von Rückführungen in die Thermostate
dadurch herabgesetzt bzw. ausgeschaltet werden können, daß diese Rückführungen bei
thermischen Regulierungsvorgängen eine Dämpfung erzeugen.
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Die Erfindung betrifft nun einen Temperaturfühler für Thermostate,
der sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, daß einem als bekannt geltenden üblichen
Temperaturfühler, beispielsweise bestehend aus zwei temperaturempfindlichen Teilen,
ein zusätzlicher, aus einem bzw. zwei ebenfalls temperaturempfindlichen Teilen bestehender
Fühlerteil zugeordnet ist, welcher infolge seiner stofflichen Eigenschaften, seiner
Ausbildung und Anordnung als Kompensationsorgan dient und eine gegenüber der Wirkung
des üblichen Fühlerteils entgegengesetzte und nacheilende Wirkung im Sinn einer
thermischen Rückführung ausübt. Dieser zusätzliche Fühlerteil kann hierbei so-bemessen
sein, daß die durch Temperaturänderungen bewirkten Dehnungen, im stationären Zustand
betrachtet, kleiner ausfallen als diejenigen des temperaturempfindlichen Organs.
Hierbei kann der zusätzliche Fühlerteil selbst zur- Aufnahme bzw. zum Auswechseln
verschiedenartiger Massenteile eingerichtet sein, womit verschiedenartige
Trägheiten
desselben und dadurch bedingte Nacheilungen gegenüber dem üblichen Fühlerteil bewirkt
werden.
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Weitere :Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen, welch letztere den Erfindungsgegenstand
veranschaulichen, wobei Fig. i bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele des Temperaturfühlers,
Fig. 7 und 8 charakteristische Diagramme darstellen. Im folgenden werden zur Vereinfachung
der übliche Fühlerteil als schneller Fühler und der zusätzliche Fühlerteil als langsamer
Fühler bezeichnet.
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Bei dem Temperaturfühler gemäß Fig. i besteht der übliche Fühlerteil
bzw. der schnelle Fühler aus einem Ausdehnungsrohr i aus Messing öd. dgl. sowie
aus dem innerhalb desselben angeordneten Basisstab 2 aus Invarstahl od. dgl., der,
ebenfalls in üblicher Weise, die Längenänderungen des Ausdehnungsrohres i auf den
Kontaktarm 3 des Steuerorgans überträgt.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist nun der Basisstab 2 unten nicht
bis zum Ende des Ausdehnungsrohres i geführt, sondern es ist zwischen diesen beiden
der aus demselben Material wie das Ausdehnungsrohr bestehende zusätzliche, als Kompensationsorgan
wirkende Fühlerteil q. des langsamen Fühlers eingeschaltet. Seine Wirkung ist derjenigen
des Ausdehnungsrohres entgegengesetzt. Das Kompensationsstück q. ist einerseits
am einen Ende 5 des Stabes 2 in geeigneter Weise befestigt, während es am andern
Ende 6 in geeigneter Weise mit dem Ende des Rohres i verbunden ist, und zwar so,
daß eine innige Verbindung der befestigten Teile besteht. Das Kompensationsstück
ist zur Aufnahme bzw. Auswechslung verschiedener Massenelemente eingerichtet, so
daß andere Verzögerungs- bzw. Nacheilungseigenschaften erzielt werden. Ein weiteres
Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers, jedoch auf dem gleichen Prinzip beruhend,
stellt Fig. 2 dar, bei welchem der schnelle Fühler aus einem in Schraubenform gewundenen
Bimetallstreifen 8 besteht, während der langsame Fühler aus einem mit ihm gekuppelten,
in dessen Innern angeordneten zweiten schraubenförmig gewundenen Bimetallstreifen
g von entgegengesetztem Wicklungssinn und mit einer größeren Trägheit behaftet,
besteht. Seine Wirkung ist ebenfalls derjenigen des schnellen Fühlers entgegengesetzt.
Hierbei ist die innere Bimetallschraube g mit dem einen Ende mit einem als Befestigung
für das Übertragungsorgan io dienenden Block ii und mit dem andern Ende mit dem
Ende der äußern Bimetallschraube 8 verbunden. Am oberen Ende des Übertragungsorgans
io ist ein Kontaktarm 14 vorgesehen, der einen Mittelkontakt 15 trägt. Letzterer
bewegt sich zwischen zwei Außenkontakten k und w.
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Für die beiden genannten Beispiele, wie überhaupt für die Verwirklichung
der Erfindung ist es wesentlich, daß der schnelle Fühler eine möglichst kleine Trägheit
besitzt, während diejenige des langsamen Fühlers entsprechend groß sein muß.
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Sowohl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. i als auch bei demjenigen
nach Fig. #-. ist die Trägheit des langsamen Fühlers durch verschiedenartige Mittel
veränderbar. So kann z. B. bei dem Kompensationsstück 4. nach Fig. i dessen Trägheit
dadurch verändert werden, daß sogenannte Massenelemente aus verschiedenartigen Materialien
und in verschiedenartiger Form mit dem Kompensationsorgan verbunden bzw. in dieses
eingesetzt werden. So können z. B. Hülsen mit verschieden dicken Wänden oder auch
massive Bolzen Verwendung finden. Auch kann in das Innere des Kompensationsorgans
eine Pulver- oder Körnerfüllung aus Metall oder Nichtmetall eingebracht werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann die Trägheit des langsamen Fühlers (innere
Bimetallschraube g) in der vorerwähnten Weise z. B. durch einen angeschraubten Bolzen
12 oder auch durch geeignete Bemessung des Verhältnisses zwischen Volumen-und Oberfläche
desselben erreicht bzw. verändert werden.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 ein Temperaturfühler
für einen Anlegethermostat dargestellt. Das Doppelgehäuse 17 besteht samt der Grundplatte
18, welche gegen das Medium (Rohrleitung ig) gedrückt wird, aus einem gut wärmeleitenden
Material. Der der Grundplatte näherliegende Gehäuseteil 2o, enthaltend den schnellen
Fühler 21 in Form einer Bimetallspirale, kann zwecks schneller Wärmeübertragung
mit einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupferpulver, aufgefüllt sein.
Der äußere Gehäuseteil 22 dagegen mit dem langsamen und entgegengesetzt gewickelten
Fühler 23 enthält zwecks langsamerer Wärmeübertragung Luft oder irgendeine Isolierpulverfüllung
oder ein Pulver aus schlecht leitendem Metall. Die Trägheit des langsamen Fühlers
kann auch durch das Querschnittoberflächenverhältnis seines Bimetallbandes verändert
werden. Der Aufbau ist im übrigen so, daß die Bewegungen der beiden Fühler wie bei
den vorerwähnten Beispielen hintereinander geschaltet sind. In Fig. q. ist ein weiteres
Beispiel eines Temperaturfühlers für einen Anlegethermostat gezeigt. Die äußere
Bimetallspirale 24 ist der schnelle Fühler; er kann ebenfalls wie beim Beispiel
nach Fig. 3 in einer Kupferpulverfüllung eingebettet sein. Die innere entgegengesetzte
gewickelte Bimetallspirale 25 ist der langsame Fühler, der in Luft oder in irgendeiner
Pulverfüllung angeordnet ist, die schlechter Wärme leitet als diejenige des schnellen
Fühlers. Die Trägheit des langsamen Fühlers kann auch durch das Querschnittoberflächenverhältnis
seines Bimetallbandes 25 verändert werden. Das Gehäuse 25a trennt die beiden Spiralen
voneinander.
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Fig. 5 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlers
für einen Anlegethermostat dar, dessen Achse 26 parallel zur Anlegefläche 27 liegt.
Der Anfang der Bimetallschraube des schnellen Fühlers 28 ist im gut wärmeleitenden
Gehäuse 29 an einem Absatz 3o desselben befestigt. Seine Drehbewegung überträgt
sich über eine Scheibe 31 auf die Achse 26, welche über eine Scheibe 32 mit der
entgegengesetzt gewickelten Bimetallschraube 33 des langsamen Fühlers gekuppelt
ist. Das freie Ende 34 desselben überträgt seine Drehbewegung über den Teil
35 auf das Steuerorgan. Der Hohlraum des schnellen Fühlers kann auch hier
wieder mit einem gut wärmeleitenden Medium, derjenige des langsamen Fühlers mit
Luft
oder mit einem schlechter leitenden Medium aufgefüllt sein
als der Hohlraum des schnellen Fühlers. Die Trägheit kann aber auch durch das Querschnittoberflächenverhältnis
der Bimetallschraube 33 verändert werden.
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Fig. 6 stellt als weiteres Beispiel einen Temperaturfühler dar, der
aus einem oben und unten geschlossenen Hohlzylinder 36 und einem innerhalb desselben
angeordneten Kolben 37 besteht. Beide Körper sind mit der gleichen oder mit verschiedenen
Ausdehnungsflüssigkeiten oder mit leicht verdampfbarer Flüssigkeit vollständig oder
teilweise angefüllt. Sie stehen je durch ein getrenntes Kapillarrohr 38,
39 bzw. Federkörper 39d, 40 od. dgl. über das Gestänge 41 mit dem Steuerorgan
42 des Thermostats in üblicher Weise in Verbindung. Der Hohlzylinder 36 stellt den
schnellen, der Kolben 37 den langsamen Fühler dar. Die Wärmeübertragung auf den
langsamen Fühler kann durch sein Querschnittvolumenverhältnis, durch großen Luftzwischenraum
oder eine schlecht wärmeleitende Pulverfüllung innerhalb des Hohlzylinders verändert
werden. Das Prinzip dieses konstruktiven Vorschlages ist wiederum dasselbe wie bei
den bisherigen Vorschlägen, indem durch einen kombinierten Temperaturfühler, bestehend
aus einem schnellen und einem langsamen Fühler die gleiche Rückführwirkung erzielt
wird.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Temperaturfühler ist folgende:
Wird beispielsweise der Temperaturfühler nach Fig. i einer Temperaturänderung ausgesetzt,
so erzeugt vorerst nur der schnelle Fühler eine Relativbewegung, während das am
Basisstab 2 als Verlängerung befestigte Kompensationsstück q. infolge seiner Ausbildung
und Anordnung innerhalb des schnellen Fühlers zunächst keine Längenänderung erfährt.
Der schnelle Fühler arbeitet somit anfänglich wie ein um den Teil A verlängerter
Fühler und schließt einen der beiden Kontakte k oder -w des Steuerorgans. Erst nach
einer gewissen Zeit erfährt auch das Kompensationsstück q. eine Längenänderung.
Die Temperatur desselben wird somit j e nach der Temperaturänderungsgeschwindigkeit
mehr oder weniger derjenigen des schnellen Fühlers i nacheilen. Im Beharrungszustand
des Temperaturfühlers ist ein Teil der vorangegangenen Dehnung des längeren schnellen
Fühlers entsprechend den Dehnungen des in entgegengesetzter Richtung wirkenden langsamen
Fühlers kompensiert. Es bleibt somit nur noch die Dehnung eines Teilstückes des
schnellen Fühlers bestehen, welches durch den langsamen Fühler nicht kompensiert
wird.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 tritt die gleiche Wirkung in Erscheinung.
Je nach der Temperaturänderungsgeschwindigkeit, welcher der Temperaturfühler ausgesetzt
wird, eilt die Temperatur des langsamen Fühlers g derjenigen des schnellen Fühlers
nach. Im Beharrungszustand ist ein Teil der vorangegangenen Drehbewegung desselben
durch den langsamen Fühler kompensiert. Es bleibt daher nur noch die Drehbewegung
eines Teilstückes bestehen, welches durch den langsamen Fühler nicht kompensiert
wird.
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Die sinngemäße gleiche Wirkungsweise ist den weiteren Ausführungsbeispielen
nach den Fig. 3 bis 6 eigen. Die thermische Rückführung ist bei den genannter. Ausführungsbeispielen
nach den Fig. i bis 6 dadurch gegeben, daß der schnelle Fühler normalerweise möglichst
trägheitslos auf das Steuerorgan einwirkt, während infolge des nacheilend zur Wirkung
kommenden langsamen Fühlers beispielsweise der Kontakt k bzw. w entsprechend der
Temperaturänderungsgeschwindigkeit um einen bestimmten Betrag vor Erreichen des
Sollwertes schließt. Bei geeigneter Bemessung des langsamen Fühlers entspricht dieser
Betrag der Größe der in einer thermischen Anlage auftretenden Regelverzögerung,
so daß eine Überregelung bzw. zu große Regelschwankungen vermieden werden können.
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Die Wirkung der Nacheilung des langsamen Fühlers gegenüber dem schnellen
Fühler kommt, wie leicht einzusehen ist, einer Sollwertfälschung gleich, und zwar
ist diese Wirkung abhängig von der Temperaturänderungsgeschwindigkeit. In dem Maße
wie sich die Temperatur des genannten langsamen Fühlers derjenigen des schnellen
Fühlers nähert" reduziert sich die Fälschung des Sollwertes. Sie wird im Endzustand
bei vollständigem Temperaturausgleich des Temperaturfühlers wieder aufgehoben. Die
Wirkung des langsamen, bei der dargestellten Ausführung des Steuerorgans, kommt
einer doppelseitigen Rückführung bei zu- und abnehmender Temperatur gleich.
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Fig. 7 stellt graphisch den Temperaturverlauf e in Funktion der Zeit
t für irgendein Ausführungsbeispiel des genannten Temperaturfühlers dar, und zwar
einzeln für den schnellen und den langsamen Fühler für eine konstante Temperaturänderungsgeschwindigkeit
des zu regulierenden Mediums. Die Kurve eTl stellt in Funktion der Zeit den Verlauf
der Temperatur des schnellen Fühlers und ÜT2 denjenigen des langsamen Fühlers dar.
Die beliebig aus den dazugehörigen Ordinaten, z. B. OB und 0A zur Zeit
t auf den beiden Kurven OTl und 0T2 gebildeten Differenzen z7Tl-OT2 zwischen
den Temperaturen des schnellen und des langsamen Fühlers stellen ein Maß für die
Vorabschaltung des Steuerorgans dar. Die Kurve »TR, die man durch Addition der Differenz
üpi - oT2 = AB = BC zum Temperaturverlauf eTI = OB des schnellen
Fühlers erhält, stellt die vorgetäuschte Temperatur ÜTR = 0C dar, mit anderen Worten
der Gesamttemperaturfühler wirkt so auf das Steuerorgan, wie wenn seine Temperatur
nach der fiktiven Kurve OTR verlaufen würde bei einem Verlauf der Mediumtemperatur
nach Om. Der Verlauf dieser Kurve ist durch verschiedene Bemessung des Längenverhältnisses
zwischen dem schnellen und dem langsamen Fühler veränderbar. Die genannte Differenz
&T, - OT2 ist die Größe der in Erscheinung tretenden Temperatursollwertfälschung,
welche im praktischen Fall das Erreichen eines bestimmten Sollzustandes vortäuscht.
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Aus diesen Erläuterungen ist leicht einzusehen, daß sich die Charakteristik
der Schaltdifferenz eines Thermostats, welcher mit einem der genannten Temperaturfühler
versehen ist, in Abhängigkeit der Temperaturänderungsgeschwindigkeit je nach der
Trägheit des langsamen Fühlers verändern läßt.
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In Fig. 8 sind die Verhältnisse an Hand eines Diagrammes für den statischen
Zustand dargestellt. Für alle Varianten des langsamen Fühlers mit gleicher
aktiver
Länge r1 bezogen auf den statischen Zustand bildet die statische Schaltdifferenz
0 - P in Fig. 8 den Ausgangspunkt. Die Gerade a in Fig. 8 stellt den Verlauf der
Schaltdifferenz für einen üblichen Temperaturfühler ohne das zusätzliche Kompensationsstück
dar. Bei Einbau eines solchen Kompensationsstückes (langsamer Fühler) nimmt die
Neigung der Geraden a ab und kann beispielsweise den Verlauf entsprechend den Geraden
h, c, d und e nehmen. Bei besonderer Dimensionierung des langsamen Fühlers,
unter Berücksichtigung des Quotienten
(Zeitkonstante des schnellen Fühlers = TS, Zeitkonstante des langsamen Fühlers =
T1) gelingt es beispielsweise, die dynamische Schaltdifferenz unabhängig von der
Temperaturänderungsg eschwindigkeit stabil zu halten, wobei dann die entsprechende
Gerade den Verlauf nach e nimmt. Bei diesem Verlauf erreicht man, daß der Thermostat
unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Mediums arbeitet, d. h. so, wie
wenn er trägheitslos wäre. Die Gerade e schneidet die Abszisse bei der Temperaturänderungsgeschwindigkeit
v', d. h. die Schaltdifferenz wird für diesen Zustand gerade aufgehoben. Im schraffierten
Bereich unterhalb der Abszisse erfolgen die Vorabschaltungen von solcher Größenordnung,
daß sie mehr als den Betrag der Schaltdifferenz ausmachen. Aus dem Diagramm gemäß
Fig. 8 ist ferner zu entnehmen, äaß sich der Sollwert für Temperaturänderungsgeschwindigkeiten
bei Temperaturzunahme gleich derjenigen bei Temperaturabnahme nicht verändert. Ist
sie bei Temperaturzunahme größer, so fällt der Sollwert und umgekehrt, ist sie bei
Temperaturzunahme kleiner, so steigt der Sollwert.
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Einer Überregelung, d. h. einem Pendeln der Temperatur wird gemäß
der Erfindung also dadurch entgegengewirkt, daß durch die erwähnten belastungsabhängigen
Sollwertfälschungen die Regulierung bei rascher Temperaturänderung jeweils schon
vor Erreichen des Sollwertes betätigt wird (Vorabschaltung).
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Außerdem kann die Unempfindlichkeit eines Thermostats in Abhängigkeit
der Temperaturänderungsgeschwindigkeit stabil gewählt werden oder sogar so, daß
sie bei zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Die letztgenannte Eigenschaft stellt
gegenüber den bisher gebräuchlichen Thermostat ebenfalls eine Neuerung dar, welche
geeignet ist, die Steuerung von Reguliervorgängen zu fördern.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Länge des langsamen Fühlers beliebig
zu wählen, z. B. so, daß der langsame Fühler im wesentlichen die gleiche Dehnung
besitzt wie der schnelle Fühler. Der Temperaturfühler reagiert dann nicht mehr auf
verschiedene statische Temperaturzustände, sondern nur noch auf Temperaturänderungsgeschwindigkeiten.