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Temperaturregler Alle bekannten Temperaturregelungen sind mit irgendeiner
Trägheit behaftet, derzufolge sich die Regelkurve aus abwechselnd aneinanderreihenden
Ausschnitten derErwärmun:gs-undderAbkühlungskurve des Systems zusammensetzt. Dieser
typische Temperaturverlauf aller nach den bisherigen Regelmethoden gesteuerten Vorgänge
ist in Fi,g. i veranschaulicht. Der Einfac'h'heit halber liegt diesem Diagramm,
dessen Abszissenachse der Zeit t und dessen Ordinatenachs-e :derTemperatur T entspricht,
.#_ler Fall zugrunde, :daß sowohl der Wärmebedarf des Raumes (unter welchem hier
und im folgenden schlechthin ein Ofen, Thermostat, Wohnraum usw. verstanden werden
soll), dessen Lufttemperatur durch den Regler möglichst genau auf dem Niveau der
Geraden N gehalten werden soll, als auch die vom Regler jeweils ein- und ausgeschaltete
Wärmeleistung konstant sind. Beim Anheizen folgt der Temperaturverlauf,der exponenbiellenErwärmungskurve
E bis zu einem Punkte P, oberhalb der Linie N, bei welchem der Regler anspricht
und die Wärmezufuhr unterbindet. Nunmehr setzt die Abkühlperiode ein, während derer
die Temperatur einen Verlauf nimmt, .der sich durch Parallelverschiebung der Abkühlungskurve
A ergibt und im Punkte Pe unterhalb der Solltemperaturlinie N
endet, bei welchem
der Regler wieder anspricht, um - das entstandene Wärmedefizit zu decken. Während
der folgenden Aufheizperio,de entsteht im Diagramm eine Zacke, deren Flankenform
sich durch Parallelverschiebung der Erwärmungskurve .ergibt und deren Spitze auf
der Höhe desAnsprechpunktes P" liegt. Die Größe E der sich auf diese Weise fortlaufend
ergebenden Zacken ist ein Maß für :die Empfin@dlichheit des Reglers oder für die
Trägheit des ganzen Systems und somit für die
Güte des Regelvorganges
schlechthin. Diese Trägheit setzt sich im allgemeinen aus mehreren Komponenten,
nämlich aus der Wärmeträgheit des Temperaturfühlers und aus irgendeiner Form mechanischer
Trägheit des Reglers zusammen. Man kann zwar, z. B. durch Verwendung von Widerstandsthermometern
mit sehr dünner und frei gespannter Drahtwicklung als Wärmefühler, entweder die
Wärmeträgheit praktisch ganz oder bei Verwendung von I#,'-ontalztthermometern die
mechanische Trägheit sogar völlig zum Verschwinden bringen, doch nicht beide Trägheitskomponenten
ganz beseitigen, wie sehr man auch die Empfindlichkeit des Reglers steigern, d.
h. die Größe s in Fig. z verkleinern mag, so daß eine völlig stufenlose Regelung
mit den bisher bekannten Regelsystemen eine physikalische Unmöglichkeit bleibt.
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Von -dieser Erkenntnis ausgehend wird gemäß der Erfindung ein Weg
beschritten, der auf einer durchaus neuen physikalischen Grundlage beruht und eine
völlig stufenlose Regelung ermöglicht. Dies geschieht unter Verwendung bekannter
Temperaturfühler, in denen, wie z. B. in Widerstandsthermometern, eine in Abhängigkeit
von der Temperatur stehende elektrische Spannung auftritt, indem .diese Spannung
zur Erzeugung eines von ihrer Größe funktionell abhängigen Stromes dient, der innerhalb
des den Temperaturfühler enthaltenden Raumes unmittelbar in Joulesche Wärme umgesetzt
wird. Die funktionelle Abhängigkeit dieses der auftretenden Temperaturänderung entgegenwirkenden
Heizstromes von der Spannung bzw. von der Temperaturänderung kann eine beliebige,
z. B. lineare, quadratische oder exponentielle Charakteristik aufweisen. Grundsätzlich
wird die Erfindung also bereits durch eine temperaturabhängige Brücke verkörpert,
bei welcher die als Folge von Temperaturänderungen auftretenden Änderungen der Diagonalspannung
stetige Änderungen eines Stromes hervorrufen, dessen Joulesche Wärme der Temperaturabweichung
unmittelbar und praktisch trägheitslös entgegenwirkt.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip sei an Hand der Fig.2
und 3 näher erläutert. Innerhalb eines auf konstanter Temperatur zu haltenden Raumes
R ist ein Widerstandsthermometer Th angeordnet, das mit den Widerständen W1, W2,
W3 eine Wheatstonesche Brücke bildet. Diese Widerstände können außerhalb des Raumes
R angeordnet sein und bestehen aus Material wie z. B. Manganin, dessenWiderstandstemperaturkoeffizient
praktisch zu vernachlässigen ist. Die Brücken-.diagonale D hingegen befindet sich
innerhalb des Raumes R und ist als Heizwicklung ausgebildet. Die Stromquelle ist
durch U angedeutet, und es sei :der Einfachheit halber angenommen, daß ihre: EMK
bei allen hier in Betracht kommenden Belastungsänderungen konstant ist. Die vier
Brückenzweige Th, W1, W2, W3 seien .so abgeglichen, daß der in der Diagonale D fließende
Strom ,den Wärmebedarf des Raumes R bei der Innentemperatur TI gerade deckt; bei
gegebener Bauart der Raumwände und bei konstanter Außentemperatur T, ist der Wärmedurchgang
durch die gegebenenfalls isolierten Wände und somit auch der auf irgendeine Innentemperatur
TI bezogene Wärmebedarf des Raumes konstant. Ändert sich nun aus irgendwelchem Grunde,
z. B. infolge Schwankungen der Wärmeerzeugung eines innerhalb des Raumes R befindlichen
Gerätes od. dgl:, die Temperatur TI, so hat dies eine Widerstandsänderung des temperaturabhängigen
Brückenzweiges Tlt und somit eine entsprechende Änderung .des die Heizwicklung D
durchfließenden Diagonalstromes zur Folge, welche bei geeigneter Bemessung der Brückenzweige
W1, W2, W3 der aufgetretenen Temperaturänderung entgegenwirkt, indem sich der Diagonalstrom
beim Auftreten von Untertemperaturen verstärkt, beim Entstehen von Übertemperaturen
hingegen mit der Maßgabe verringert, daß die entstandene Abweichung von der Solltemperatur
automatisch beseitigt und .der ursprüngliche Diagonalstrom wiederhergestellt wird.
Die diese Selbstkompensation bewirkenden Änderungen des Diagonalheizstromes erfolgen
offenbar stetig und völlig trägheitslos mit Bezug auf die Widerstandsänderungen
des Temperaturfühlers Th, dessen thermische Trägheit seinerseits bei Verwendung
von freigespannten Haardrähten auf die Größenordnung von Sekunden verringert werden
kann, insbesondere dann, wenn man deren Oberfläche durch Auswalzen zu dünnen Bändern
noch wesentlich vergrößert. Sofern auch ,die Heizwicklung D, z. B. aus dünnen und
freigespannten Drähten, @d. h. thermisch nahezu trägheitsfrei ausgeführt ist, erhält
man ein System, das sich von den bekannten Reglern und insbesondere auch von den
bisher gebräuchlichen Regelbrücken aller Bauarten prinzipiell unterscheidet, wie
auch aus Fig. 3 erhellt, in welcher mit N wiederum die Linie des zu haltenden Temperaturniveaus
bezeichnet ist. Diese Linie kann als Tangente an den in eine horizontale Gerade
auslaufenden Ast der logarithmischen Erwärmungskurve Ei .bezeichnet werden. Tritt
eine Abweichung von der Solltemperatur T ein, so hat dies eine stetige Änderung
des Diagonalstromes und damit auch eine völlig stufenlose Regelung der Heizleistung
mit der Maßgabe zur Folge, daß das System von der Erwärmungskurve Ei fließend auf
eine andere Linie der die ganze Ebene bedeckenden Exponentialkurvenschar übergeht
oder, anschaulicher ausgedrückt, daß sich die Normalkurve Ei allmählich verbiegt.
Dieser stetigen Deformation wirkt aber sofort die mit ihr verbundene Änderung der
Steilheit, d. h. der sekundlichen Wärmezufuhr entgegen, so daß die Erwärmungskurve
wieder in ihre Normalform Ei zurückgedrängt wind und das: System sich somit ohne
jeden mechanischen Vorgang von selbst im thermischen Gleichgewicht zu halten bestrebt
ist.
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Freilich wird die Heizleistung des Diagonä:lstromes einer Brücke,
insbesondere einer solchen, deren als Temperaturfühler dienender Zweig Th aus so
dünnemDraht besteht, daß er als hinreichend wärmeträgheitsfrei anzusprechen ist,
im allgemeinen viel zu klein sein, um den Wärmebedarf des Raume zu decken oder auch
nur den in ihm entstehenden
Untertemperaturen entgegenwirken zu
können, von dem energiewirtschaftlichen Gesichtspunkt ganz abgesehen, daß die in
:der Brückendiagonale entwickelte Stromwärme naturgemäß nur ein geringer Bruchteil
der in den Brückenzweigen umgesetzten Verlustleitung ist. Aus :diesem Grunde läßt
man die als Folge von Temperaturänderungen auftretenden Diagonalspannungsänderungen
zweckinäßigerweis,e auf einen Röhrenverstärker od. dgl. wirken, mit dessen Ausgangsleistung
eine gesonderte, d. h. nicht in der Brückendiagonale liegende Heizwicklung beschickt
wird.
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Fig.4 zeigt eine solche Schaltung, bei welcher der Übersicht halber
als Verstärker nur eine Dreipolröhre l' dargestellt ist, obwohl statt dieser natürlich
auch eineMelirgitterröhre oder ein mehrstufiger Verstärker vorgesehen werden kann.
Bei dieser Anordnung treten in der Brücke selbst keine Heizleistungen auf, und es
kann namentlich der Thermometerzweig Th aus so dünnem Draht bestehen, daß er als
praktisch wärmeträgheitsfrei anzusprechen ist. Die Leistung zur Beschickung der
Heizwicklung H wird :der Anodenbatterie B bzw. dem Netzanschlußgerät
entnommen, während die Stromquelle U nur noch so klein zu sein braucht, daß sie
den Brückenstrom J von wenigen Milliampere zii liefern vermag.
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Es liegt auf der Hand, daß die auf das Gitter der Röhre I' wirkenden
Brückendiagonalspannungsänderungen und somit auch die in der Heizwicklung jeweils
umgesetzteLeistungbeigegebenen Temperaturverhältnissen im Raume R durchaus von diesem
Brückenstrom abhängig ist. Je größer der Brückenstrom, desto größer wird auch dieDiagonalspannungsänderung
für eine bestimmte Änderung der Temperatur im Raume R und damit die aussteuerbare
Leistung des Verstärkers. Andererseits trägt eine stärkere Strombelastung der Thermom:eterwidaung
Tlt zu deren Eigenerwärmung bei und führt somit zu einer Verschiebung des Regelpunktes,
die bei veränderlichen Ventilationsverhältnissen im Rauine R, wie sie zumeist vorherrschen,
keineswegs konstant und daher auch nicht immer eineichbar ist. Um die Stromwärme
im Thermoineterzweig :so klein zu halten, daß wechselnde Abkühlungsverhältnisse
Meine Widerstandsänderungen dieses Zweiges und somit auch keine unkontrollierbaren
Verschiebungen :des Regelpunktes hervorrufen können, wird man also im allgemeinen
auf eine Erhöhung -der Gitterspannungsänderungen ,durch Vergrößerung des im übrigen
konstant zu haltenden Brückenstromes verzicliten müssen und statt ihrer imBedarfsfalle
einen mehrstufigen Verstärker verwenden.
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In jedem Falle aber ist es ratsam, eineAnordnung nach Fig.5 zu verwenden,
welche bei gleichem Brückenstrom nicht nur wesentlich höhere Diagonalspannungsänderungen
ergibt, sondern überdies den wesentlichen Vorteil besitzt, daß die Temperatur-Diagonalspannungs-Charakteristik,der
Brücke zu einer streng linearen Funktion wird, was namentlich im Hinblick auf ,den
Kennl:inienverlauf von Verstärkerröhren meistens von Vorteil ist. Gemäß dieser Schaltung
bestehen zwei gegenüberliegende Zweige der Brücke aus temperaturabhängigen Wicklungen
Thl und Thz, die beide innerhalb des Raumes R angeordnet sind und m5glichst gleichartige
elektrische und thermische Eigenschaften haben. Zweckmäßigerweise sind sie auf einen
gemeinsamen Träger kreuz- oder sternförmigen Querschnittes derart gewickelt, daß
die beiden Wicklungen eine zweigängige Schraube bilden, also ineinandergeschachtelt
und dadurch mit Sicherheit stets den gleichen Temperaturbedingungen ausgesetzt sind.
Ist Tlt der Widerstand jedes :dieser Zweige und W der Widerstand eines der beiden
(gleichohmigen) Brüc1~enzw.eige W1, W3, so läßt sich zeigen, daß die Diagonalspannung
e durch :dlie einfache und streng lineare Beziehung
gegeben und im Vergleich zur Schaltung nach Fig.4 bei gleichem Brückenstrom J etwa
doppelt so groß ist, oder daß man zur Erzeugung einer bestimmten Diagon:alspannung
mit :dem halben Brückenstrom auskommt, wodurc die thermische Belastung jedes Thermometerzweiges
Tlt auf 1/4 verringert werden kann.
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In vielen Fällen wird der Wärmebedarf des Raumes R zu groß sein, um
in seiner Gesamtheit wirtschaftlich von einem Röhrenverstärker gedeckt werden zu
können. Man verfährt daher zweckmäßi;gerweise nach Fig.6 derart, daß der größte
Teil, z. B. 95'/o des Wärmebedarfes, die sogenannte G.run:dlast, durch eine besondere
Wärmequelle, z. B. einen aus :dem Netz P gespeisten elektrischen Heizkörper H, geliefert
und nur der verhältnismäßig und absolut kleine Rest durch die vom Anodenstrom durchflossene
Heizwicklung H2 aufgebracht wird. Die Einstellung der Grundlast kann nach Maßgabe
des jeweils gewünschten Temperaturniveaus, oder genauer :der Differenz zwischen
Innen- und Außentemperatur des Raumes entsprechend, mittels eines in :der Zeichnung
mit S nur angedeuteten Regeltransformators, Vorwiderstaades od. dgl. eingestellt
werden, :dessen Skala zweckmäßigerweise neben der Leistung auch die Angabe dieser
Temperaturdifferenzen enthält. In besonderen Fällen kann die Einstelluna dieses
Reglers S durch bekannte Mittel auch automatisch von der jeweiligen Außentemperatur
beeinflußt sein, insbesondere dann, wenn deren Schwankungen gegenüber der Differenz
zwischen Innen- und mittlerer Außentemperatur so erheblich sind, daß sie zuWärmebedarfsänderungen
des Raumes führen, -die den Arbeitsbereich des Feinreglers gemäß der Erfindung überschreiten.
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Unter der weitgehend zutreffenden Voraussetzung, daß der Röhrenverstärker
die (in bezug auf :die Temperaturänderungen) linearen D.iagonalspannungsänderungen
linear übersetzt, werden auch die Änderungen des Anodenstromes den Temperaturänderungen
einigermaßen proportional sein. Da aber die Heizleistung in quadratischer Beziehung
zum Strom steht, ergibt eine lineare Verstärkung der Diagonalspannung eine quadratische
Änderung der Wärmezufuhr, so daß die Kraft, welche die
sich verbiegende
Kurve El in Fig. 3 wieder in ihre Normalform zurückdrängt, um so größer wird, je
stärl,er die Deformation ist. Nicht immer wird aber eine solche quadratische Abhängigkeit
erwünscht sein. In manchen Fällen kann es vielmehrzweckmäßig sein, z. B. eine exponentielle,
eine kubische oder auch nur eine lineare Abhängigkeit :der Wärmezufuhr von den Temperaturschwankungen
des Raumes R zu erhalten. Es würde jedoch zu weit führen und erscheint auch nicht
nötig, auf die Vielzahl ,der Möglichkeiten näher einzugehen, die Übersetzungscharakteristik
beliebig zu gestalten, da solche Mittel, wie z. B. die Verwendung von Exponentialrö'hren,
zum Stande der Technik gehören. Als neuartig sei lediglich eine Anordnung nach Fig.
7 besonders erwähnt, gemäß welcher der Anodenstrom der Verstärkerröhre V dazu dient,
die erregende Amperewindungszahl eines Generators G zu regeln, der den Heizstrom,
sei es für den gesamten Wärmebedarf, sei es nach Fig. 7 für nur eine Zusatzheizung
H2, liefert. Diese Regelung kann bei Generatoren mit Selbsterregung dadurch erfolgen,
daß der Verstärker d er ErregerwicklungK eine zusätzliche und nach Maßgabe der Temperatur-bzw.
- Dagonalspannungsschwankungen veränderliche - Spannung aufdrückt. Man kann aber
die Maschine auch mit einer Fremderregerwicklung F verseben, die von dem Verstärkerstrom
gespeist wird und entweder allein oder, wie in Fig. 7 dargestellt, in Verbindung
mit einer Eigenerregung K das Ankerfeld bildet. Auf diese Weise gelangt man nicht
nur zu einer weitgehenden Verstärkung der Diagonalspannungsschwankungen, so daß
der Röhrenverstärker entsprechend kleiner bemessen werden kann, .sondern es liegt
auch auf der Hand, daß man, z. B. durch Verlegen des Anodenstromeinflu.sses in densteilen,
in den gekrümmten oder in den: gesättigten Teil der Magnetisierungscharakteristik,
schon mit dieser Methode allein die funktionelle Abhängigkeit der Heizleistungsändezungen
von auftretenden Temperaturänderungen stark beeinflussen kann. - Der Generator G
wird zweckmäßigerweise von einem Synchronmotor angetrieben, der, soweit der Raum
ohnehin mit einer Luftumwälzung versehen ist, zugleich diese besorgt. Sofern die
Heizgrundleistung unmittelbar aus dem Netz entnommen wird und der Generator nur
dazu dient; die feingeregelte Spitzenleistung zu decken, kann er im allgemeinen
so klein sein, daß die Größe des Ventilationsmotors durch ihn praktisch nicht beeinflußt
wird.
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Wenn es sich darum handelt, sehr große Heizleistungen in Abhängigkeit
von Temperaturschwankungen zu steuern, wie z. B. für Glüh- oder Härteöfen, so kann
man sich auch einer Art J-'#,askadenschaltung etwa nach Fi.g. 8 bedienen, bei welcher
die Leistung -des von dem Verstärker V in F, fremderregten Generators G1 lediglich
zur ausschließlichen oder zusätzlichen Fremderregung F2 eines größeren und zweckmäßigerweise
auf der gleichen Welle sitzenden Stromerzeugers G2 verwendet wird, dessen wesentlich
höhere Leistung -dann ihrerseits in einer Heizwicklung Hin Stromwärme umgesetzt
wird und deren nach Maßgabe der Temperaturschwankungen auftretende Änderungen der
je-
weiligen Temperaturabweichung entgegenwirken.
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Während der die Grundlast tragende Heizkörper ohne Nachteil mit thermischer
Trägheit behaftet, also z. B. in der üblichen Weise aus Wendeln dicker Chromnickeldrähte
bestehen kann, die in keramischen Körpern gehaltert sind, ist es für die vom Feinregler
gesteuerte Zusatzwicklung wesentlich, daß ihre thermische Zeitkonstante so klein
als möglich ist. Man .stellt sie daher zweckmäßi.gerweise aus dünnen Drähten von
weniger als o,5 mm Durchmesser her, die, etwa z.ickzackartig, mittels Ösen oder
Haken frei im Raum gespannt sind und deren Strombelastung so klein gehalten wird,
d'aß diese mechanische Spannung bei Erwärmung des Drahtes im wesentlichen erhalten
bleibt. Ein solches Heizgitter arbeitet praktisch trägheitslos, so daß seine momentane
Wärmeabgabe dem vom Temperaturfühler ebenfalls trägheitslos abgetasteten Temperaturzustand
nicht nacheilt.
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Die Einstellung ges Regelpunktes kann besonders einfach dadurch erfolgen,
daß man für die beiden Brückenzweige W1, W3 in Fig. 5, 6 und 7 oder wenigstens für
den als Einstellbereich .in Frage kommenden Teil .derselben einen Doppelkurbelwiderstand
verwendet, dessen Kurbelstellungen statt der üblichen Ohm-Bezifferung sogleich in
° C gekennzeichnet sein können. Bestehen die temperatürabhängigen Zweige Thi, Th2
aus Platin und sind sie üblicherweise so abgeglichen, daß ihr Widerstand bei o°
C je zoo Ohm beträgt, so ergibt sieh entsprechend der Widerstands-Temperatur-Charakteristik
von (reinem) Platin z. B. bei .+ 2o° C @die Diagonalspannung Null, wenn der Widerstand
,der Zweige W1, Ws je i07,82' Ohm ist, während er bei +!30° C 111,70 Ohm betragen
muß, um die Diagonalspannung zurr Verschwinden zu bringen. Eine Widerstandsänderung
von o,oz Ohm je Brückenzweig entspricht innerhalb eines weiten Bereiches .der Widerstands-Temperatur-Charakteristik
von Platin etwa 0,02q.° C. Wenn noch kleinere Temperaturabstufungen erforderlich
sein sollten, wie z. B. in Thermostaten für wissenschaftliche Zwecke, so kann man
den Widerstand der Brückenzweige W1, W3 beliebig feinstufig dadurch regeln, daß
man einen Bruchteil ihres Betrages, etwa r oder ro Ohm, durch entsprechend hochohmige
Nebenschlußk urbeln, insbesondere solche mit reziproker Abstufung ihrer Widerstände,
überbrückt, deren Kontaktübergangswiderstände dann keine Rolle .spielen. Durch eine
automatische Verstellung der Doppelkurbeln, z. B. mittels Uhrwerkes oder in Abhängigkeit
von irgendeiner anderen Regelgröße, gelangt man in einfacher Weise zu einer Programmregelung,
bei welcher der Regelpunkt nach Maßgabe des Zeitablaufes oder eines anderen Vorganges
in vorbestimmter Weise verschoben wird.
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Wenngleich es durchaus möglich ist, den Regler gemäß -der Erfindung
so zu betreiben, daß die Diagonalspannu.ng bei Solltemperatur völlig verschwindet,
ist es,doch aus röhrentechnischen Gründen
oftmals ratsam, als Bezugspunkt
eine bestimmte und nicht zu kleine Diagonalspannung zu wählen. Betreibt man nämlich
die Brücke mit Wech.selstrom, so würde anderenfalls der Verstärker richtungsunabhängig
arbeiten, d. h. er würde beim Auftreten einer Übertemperatur von. d t° C
genau den gleichen Heizstrom erzeugen wie bei Entstehung einer Untertemperatur des
gleichen Absolutwertes d t° C, so daß zur Sicherung gegen übertemperaturen
ein zusätzliches Kontaktthermometer od. dgl. erforderlich wäre, ,das beim Nulldurchgang
der Diagonalspannung den Verstärker außer Wirkung setzt. Dieser Übelstand tritt
zwar nicht auf, wenn man, die Brücke mit Gleichstrom betreibt, weil dann die Diagonalspannung
beim Nulldurchgang ihre Polarität wechselt, doch erfordert es einen sehr viel größeren
Aufwand, kleine Gleichspannungen mit derselben Betriebssicherheit zu verstärken,
wie sie Wecliselstromverstärkern eigen ist. Man muß sich nämlich darüber klar sein,
daß die Diagonalspannungsänderungen nur von sehr geringer Größenordnung sind, wenn
die Bedingung erfüllt sein soll, daß die Temperaturfühler Thi, Th2 praktisch wärmeträgheitsfrei
sind. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daßdiese Forderung so dünne Drähte voraussetzt,
daß sie nur eine minimale Strombelastung vertragen, um eine merkliche Widerstandsänderung.
durch Eia nerwärmung zu vermeiden. I äßt man 2 mA als oberste Grenze für den Gesarntbrückenstrom
J zu, so ergibt sich nach obiger Formel für eine Widerstandsdifferenz von o,oi Ohm
zwischen den Thermometerzweigen und den temperaturunabhängigen Brückenzweigen, welche
einer Temperaturdifferenz von o,o24° C entspricht, eine Diagonalspannung von nur
ioyV, deren sichere Erfassung in einem stabil arbeitenden Gleichstromverstärker
nach dem neuesten Stande der Technik zwar möglich ist, aber immerhin einen Aufwand
erfordert, den man -durch Wechselstrombetrieb der Brücke vermeiden kann, weil die
betriebssichere Erfassung und Verstärkung selbst kleinster Wechselspannungen bekanntlich
keine prinzipiellen! Schwierigkeiten bereitet. Um die Richtungsabhängigkeit des
Verstärkers zu wahren, muß man hierbei nur dafür Sorge tragen, daß ein Nulldurchgang,der
Diagonalspannnng innerhalb des gesamten, d. h. beide Richtungen umfassenden Regelbereiches
der Brücke nicht eintreten kann, indem man als Bezugspunkt cineDiagonalspannung
wählt, die genügend groß ist, um selbst bei extremerÜberschreitung .der Solltemperatur
nicht an. den Nullwert herankommen zu können.
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Die Verstärkung bzw. die Änderung der Heizleistung je Einheit der
Temperaturänderung (deren Charakteristik wie bereits erwähnt, in weitesten Grenzen
beliebig gestaltet werden kann) wird man zweckmäßigerweise nicht höher treiben,
als es zur Selbstkompensation aller im Betrieb auftretenden bzw. zu erwartenden
Abweichungen von der Solltemperatur erforderlich isst, weil anderenfalls die Frequenz
des Regelganges unnötig vergrößert würde, mag sie auch auf die Temperaturhaltung
an sich ohne Einfluß sein. Andererseits dürfen aber die Änderungen der Heizleistung
nicht unterhalb jenes Betrages bleiben, der dem Wärmebedarf des Systems entspricht.
Eine sehr bequeme Anpassung erhält man durch ,das übliche Regeln der Gittervorspannung
des Verstärkers, doch kann man gegebenenfalls auch zu einer Verlustregelung durch
Vorschaltwiderstand im Anodenkreis greifen. Eine ausschließliche Regelung der Heizung
.durch bloße Veränderung des Brückenstromes ist hingegen im allgemeinen nicht ratsam,
weil sie die Temperaturempfindlichkeit als solche zu sehr verändern würde.
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Wohl aber -kann man zu einer Art Rückkoppelungseffekt gelangen, wenn
man die Brücke mit einem Strom speist, der seinerseits in Abhängigkeit zur jeweiligen
Ausgangsleistung des Verstärkers steht. Wenn der Anodenstrom eine Wechselstromkomponente
enthält, kann man ihn z. B. über diePrimärwicklung einesTransformators leiten, an
dessen entsprechend über- oder untersetzter Sekundärwicklung die Brücke angeschlossen
ist. Man kann sie aber gemäß Fig.9, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines entsprechenden
Widerstandes M, auch unmittelbar zur Heizwicklung H oder nur zu einem Teil derselben
in Nebenschluß legen, sofern zwischen der Kathode der Verstärkerröhre V bzw. einem
der Diagonalpunkte der Brücke keinerlei galvanische Verbindung besteht, welches
Erfordernis durch Verwendung eines fremderregten Generators G als Stromquelle ohne
weiteres erfüllt ist, dessen Erregerwicklung F in der bereits beschriebenen Weise
von dem Verstärker V gespeist wird. Eine Vergrößerung des Stromes in der Heizwicklung
H hat hier eine proportionale Vergrößerung des Brückenstromes J und somit der Gitterspannung
mit :der Maßgabe zur Folge, daß der Heizstrom weiterhin verstärkt wird, wodurch
die Erreichung des Umkehrpunktes beschleunigt wird und die Raumtemperatur besonders
rasch wieder dem Sollwert zustrebt, was dann umgekehrt mit einer entsprechenden
Verringerung der auf das Gitter wirkendenDiagonalspannung und somit auch mit einer
potenzierten Herabsetzung sowohl der Heizleistung als auch des Brückenstromes J
verbunden ist. Selbstverständlich muß auch hierbei durch geeignete Wahl aller elektrischen
Größen darauf geachtet werden, daß einerseits die zulässige Höchstbelastung der
Thermometerzweige Thl, Tlz2 nicht überschritten und andererseits der Brückenstrom
J niemals so klein werden kann, daß die Empfindlichkeit des Reglers zu gering wird.
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Obwohl es denkbar ist, die Anordnung für einen bestimmten Brückenstrom
derart zu eichen, daß ein im Kreise des von ihr gesteuerten Heizstromes liegendes
Amperemeter die Abweichungen von: der Solltemperatur unmittelbar in ° C anzeigt,
empfiehlt es sich doch. aus praktischen Gründen, die genau- ,-Einstellung des der
Solltemperatur entsprechenden Heizstromes mit Hilfe eines gesonderten Temperaturanzeigers
vorzunehmen, zumal eine solche Eichung an eine bestimmte Verstärkercharakteristik
gebunden wäre, deren Anpassung an jeweils herrschende Bedingungen häufig gerade
erwünscht ist und deren Konstanz ohnehin infolge Röhrenalterung
leidet.
Man verfährt daher .zweckmäßi,gerweise so, daß man, gegebenenfalls narb vorheriger
Ein-Stellung der von dem Hauptheizkörper H, aufzubringenden Grundleistung, die Gittervorspannung
des Verstärkers V, mit der jede Röhre ohnehin betrieben wird und deren allgemein
bekannte Erzeugungsmittel der Übersicht halber in der Zeichnung nicht-,dargestellt
sind, .mit einem der hierfür üblichen Potentiometer od-. dgl. allmählich so weit
erhöht, bis ein gesondertes Thermometer die Solltemperatur gerade erreicht, ohne-
sie zu überschreiten. Diese Gittervorspannung. ergibt dann den Regelpunkt .für den
weiteren und von den B.rüekendiagonalspannungsänderungen automatisch gesteuerten
Betrieb, so daß es hierbei auch unwesentlich ist, ob die Diagonalspannung der Regelbrücke
in :diesem 1Vullpunkt einen bestimmten Wert besitzt, @da, es dann nur noch auf die
Änderungen dieser Spannung ankommt, deren thermische Auswirkung ihrerseits von der
übersetzungscharakteri.stik des Verstärkers abhängt.
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Wenn eine sehr genaue Einstellung der Temperatur gewünscht wird, -ist
es wesentlich, daß die Zei.tlzonstante dieses Hilfsthermometers möglichst klein
ist, ohne daß seine Genauigkeit unter diesem Erfordernis leidet. Da- Quecksilberthermometer
diesen einander widersprechenden Anforderungen im :allgemeinen nicht genügen, ist
es in solchen Fällen ratsam, die Temperaturaablesung gleichfalls mittels eines Widerstandsthermometers
oder noch bequemer mit einem Brückenthermometer vorzunehmen; dessen Aufbau und Daten
der Regelbrücke möglichst weitgehend entsprechen. Die beiden Brücken weiden zweckmäßigerweise
-in Reihe :geschaltet, so daß sie vom gleichen Strome durchflossen sind. Ein an
die Diagonalpunkte der Hilfsbrücke angeschlossenes Spiegelgalvanometer od. dgl.
gestattet nicht zur die Solltemperatur sehr genau einzustellen -bzw. die zu ihrer
Erreichung erforderkche Heizleistung durch Verändern der Gittervo.rspannung einzuregeln,
sondern auch Grad und Gang ihrer Abweichungen bequem @zu verfolgen und ,damit- die
Arbeitsweise des Reglers jederzeit zu überwachen. Die temperaturunabhängigen.Zweige,
auch !dieser Hilfsbrücke können durch einenDoppelkurbelwiderstand gebildet werden
bzw. einen solchen enthalten, durch dessen Einstellen die Temperatur in weiten Grenzen
gewählt werden kann, bei welcher das Galvanometer ad. dgl. keinen Ausschlag
ergibt, d. h. die Diagonalspannun@g völlig verschwindet.
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Sofern es die räumlichen Verhältnisse zulassen, kann man den Verstärker-
innerhalb des Raumes R anordnen, so daß die Wärmeentwicklung seiner Röhren, Widerstände,
Transformatoren usw. zur Deckung der Grundlast mit herangezogen wird, soweit eine
solche vorhanden ist und die Abwärme des Verstärkers sie nicht überschreitet.
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Der Temperaturregler gemäß der Erfindung erreicht nicht nur, wie bereits
dargetan, hinsichtlich thermischer Trägheitslosigkeit und Empfindlichkeit ;sondern
auch bezüglich Genauigkeit und Konstanz des Regelpunktes die Grenzen der physika-Iischen
Möglichkeiten, denn Widerstände lassen sich unschwer auf Millionstel ihres Nennwertes
bestimmen, und -bei geeigneter Wahl ihres Materials liegt auch .ihre zeitliche Konstanz
in dieser Größenordnung, weshalb auch Temperaturmessungen mit Platinthermometern
seit langem zu den genauesten Methoden der Thermometrie zählen. Der jeweilige Regelpunkt
ist daher nicht nur sehr exakt definiert, sondern auch von höchster zeitlicher Konstanz,
so daß sich Temperaturregler gemäß der Erfindung nicht allein für den technischen
Gebrauch, sondern namentlich auch für wissenschaftliche Zwecke, wie z. B. für die
Thermostaten von Quarzuhren besonders eignen, bei denen Temperaturdifferenzen von
nur einigen Tausendstel Graden bekanntlich schon merkliche Frequenzabweichungen
zur Folge haben können.
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Obwohl :die Erfindung nur in Verbindung mit einer Temperaturregelung
erläutert wurde, kann sie sinngemäß doch auch für andere Zwecke, wie z. B. zur Regelung
der Feuchtigkeit. und überall dort Anwendung finden, wo man die bekannten Regelbrücken
bisher benutzt hat, deren Diagonalstromänderungendirekt oder indirekt einen mechanischen
Steuervorgang auslösen, welcher mit mechanischer Trägheit behaftet ist.