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Verfahren und Einrichtung zur Steuerung und Regelung von Meßgrößen
auf einen Nennwert, insbesondere zur Rückführung auf Null In der Technik besteht
häufig die Aufgabe, bei kleinen Abweichungen einer Meßgröße vom Nennwert eine Steuerung
zu betätigen, durch die die Rückführung auf den Nennwert, insbesondere in häufigen
Fällen auf den Nennwert Null, erfolgt. Zum Beispiel soll bei Überschreitungen einer
Nenntemperatur die Heizung oder ein Teil davon abgeschaltet, bei Unterschreitungen
die Heizung oder eine Zusatzheizung eingeschaltet werden. In ähnlicher Weise können
bei Abweichung der Beleuchtungsstärke vom Nennwert Zusatzleuchten ein- oder ausgeschaltet,
oder bei Vergleich von Lichtstärken Betätigungen von Blenden oder Filtern gewünscht
werden. Es ist dabei bekannt und üblich, nichtelektrische Meßgrößen durch Meßfühler,
wie z. B. Thermoelemente, Fotozellen, druckabhängige Widerstände u. dgl., in elektrische
Ströme oder Spannungen umzuformen.
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Die für diesen Zweck häufig gebrauchten Kontaktinstrumente haben den
Nachteil, daß bei kleinen Steuerleistungen die Kontaktkräfte zu gering sind, um
sicheren Kontakt zu gewährleisten. Aus dem gleichen Grunde ist ihre Schaltleistung
gering. Die bekannten Verfahren zur Erhöhung der Schaltleistung, den Zeiger des
Meßinstrumentes in seiner Lage durch einen Fallbügel abzutasten, oder an Stelle
der mechanischen Kontaktgabe durch den Zeiger eine mittelbare Kontaktgabe über die
vom Zeiger gesteuerte Belichtung einer Fotozelle, oder die- vom Zeiger gesteuerte
Abkühlung eines Bolometerwiderstandes
zu bewirken, erfordern #Spezialinstrumente,
die teuer und in ihrer mechanischen Konstruktion kompliziert sind. Für die praktische
Verwendung besonders nachteilig ist in vielen Fällen die mechanische Empfindlichkeit
des Instrumentes, durch die Transporte erschwert und die Benutzung in ortsbeweglichen
Anlagen oft völlig unmöglich gemacht wird.
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Es ist fernerhin bekannt, kleinste Steuerleistungen über lange Zeit
zu speichern und den Endwert der gespeicherten Energie in Meßinstrumenten oder Telefonen
zur Anzeige zu bringen. Ein Beobachter muß dann von Hand die angezeigten Werte auf
den gewünschten Nennwert einstellen, wenn eine Regelung oder Steuerung gefordert
wird. Solche Anordnungen sind von den persönlichen Fehlern des Beobachters abhängig
und können in lauten Betriebsräumen unter Umständen überhaupt nicht betrieben werden.
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Gemäß der Erfindung sollen diese Nachteile dadurch behoben werden,
daß die für eine unmittelbare elektrische Kontaktgabe nicht ausreichende Steuerleistung
im magnetischen Feld einer Indüktivität gespeichert und anschließend als elektrische
Energie in der Eigenkapazität der Spule und gegebenenfalls in einer zu ihr parallel
geschalteten Zusatzkapazität derart zur Wirkung gebracht wird, daß sie zur Aussteuerung
einer Röhre dient. Insbesondere kann der an den Klemmen der Spule auftretende Spannungsstoß
unmittelbar oder mittelbar über einen Verstärker auf das Gitter einer Gasentladungsröhre
einwirken, in dessen Anodenstromkreis zur Zurückführung der Meßgröße auf den Nennwert
geeignete Steuereinrichtungen liegen. Der Grundgedanke der Erfindung ist in Fig.
z dargestellt.
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Die Leitung von A nach B stellt einen Teil eines Meßstromkreises
dar, in dem beim Nennwert der Meßgröße der Strom Null fließen soll. A-B kann also
z. B. der Nullzweig einer Wheatstoneschen Brücke nach Fig.2 oder der Nullzweig einer
Stromvergleichsschaltung unter Benutzung von Fotoelementen nach Fig.3, oder der
Kompensationszweig einer Spannungsvergleichsschaltung für Temperaturmessung mit
Thermoelementen nach Fig. q sein. In diesem Zweig befindet sich zur Kontrolle des
Betriebszustandes im allgemeinen ein Anzeigeinstrument C. Nach der Erfindung wird
in Reihe mit einem Anzeigeinstrument eine Drosselspule D geschaltet und ein Schalter
E angeordnet, durch den in beliebigen periodischen oder nichtperiodischen Abständen
der Stromkreis A-B unterbrochen werden kann. Die Betätigung des Schalters B kann
durch einen beliebigen Antrieb, z. B. mechanisch durch eine Nockenscheibe F, oder
durch einen Thermoschalter oder durch eine elektrische Kippschaltung betätigt werden.
Bei Unterbrechung des Stromkreises A-B durch den Schalter E tritt an den Klemmen
der Drosselspule D eine Überspannung auf, da die im magnetischen Feld dieser Spule
gespeicherte Energie sich nunmehr in elektrische Energie in der Eigenkapazität der
Spule umsetzt. Um dem zeitlichen Verlauf der Spannung. an der :Spule eine zweckmäßige
Form zu geben und um eine Einstellung der Impulshöhe möglich zu machen, ist es im
Sinne der Erfindung möglich, parallel zu den Klemmen die Spule, d. h. zu ihrer Eigenkapazität
noch eine Zusatzkapazität zu schalten. Sie setzt die Höhe der erzielten Überspannung
herab und kann so zur Empfindlichkeitsbegrenzung dienen. Unter sonst gleichen Bedingungen
verändert sie außerdem die Dämpfung der entstehenden Schwingung und kann gegebenenfalls
so groß gemacht werden, daß der aus Spule und Kondensator gebildete Schwingungskreis
aperiodisch oder überaperiodisch wird. Parallel zu den Klemmen der Spule sind Kathode
und Gitter einer Gasentladungsröhre G geschaltet, deren Gitterspannung durch eine
Batterie H so eingestellt ist, daß die Röhre im Normalbetrieb gesperrt ist. Bei
Öffnen des Schalters E wird durch die an der Spule auftretende Überspannung die
negative Gittervorspannung der Gasentladungsröhre so weit vermindert, daß die Röhre
in den Zündbereich kommt. Im Anodenstromkreis der Röhre fließt unter der Wirkung
der aus einer Spannungsquelle .T entnommenen Anodenspannung ein Strom durch die
Betätigungsspule K eines Relais, durch die beliebig weitere Steuerfunktionen ausgelöst
werden können. An Stelle der Relais-Betätigungsspule können gegebenenfalls unmittelbar
Heizwiderstände gelegt werden, wenn es sich etwa um eine Temperaturregelung handelt.
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Um eine Regelung nach beiden Richtungen zu erzielen, kann im Sinne
der Erfindung der Betätigungsstromkreis in der Weise verdoppelt werden, daß die
an der Spule anfallende Überspannung den Gittern von zwei Gasentladungsröhren in
entgegengesetzter Richtung zugeführt wird, so daß jeweils an einem Rohr die Gitterspannung
erhöht, am anderen .erniedrigt wird. Je nach der Polarität des Stromes im Nullzweig
A-B wird dann in Fig. 5 die Gasentladungsröhre G1 oder die Gasentladungsröhre G2
gezündet und damit entweder die Steuereinrichtung K1 oder die Steuereinrichtung
K2 in Tätigkeit gesetzt. K1 wirkt dann im Sinne einer Vergrößerung der Meßgröße,
K2 im Sinne einer Verkleinerung. Bei periodischer Abschaltung des Meßzweiges A-B
durch das Schaltwerk F wird dann, wenn die Meßgröße auf den Nennwert eingestellt
ist, keine Betätigung erfolgen, wenn die Meßgröße unter dem Nennwert liegt, durch
Betätigung des Relais K1 ein Steuervorgang im Sinne ihrer Vergrößerung eingeleitet
und umgekehrt ein Steuervorgang im Sinne ihrer Verkleinerung, wenn bei zu großem
Nennwert über die Gasentladungsröhre G2 die Steuereinrichtung K2 in Tätigkeit gesetzt
wird.
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Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit dieser Einrichtung kann
dadurch erreicht werden, daaß zwischen die Klemmen der Drosselspule, an der die
Spannung auftritt, und das Gitter der Gasentladungsröhre, die durch sie betätigt
werden soll, noch eine Verstärkerröhre L nach Fig. 6 geschaltet wird. Der Spannungstoß
an der Spule erscheint am Anodenwiderstand M der Verstärkerröhre in
entsprechender
Verstärkung und kann damit um so sicherer (bzw. bei kleinerem Strom im Meßzweig
A-B) die gewünschte Steuerwirkung auslösen. Selbstverständlich liegt auch die Anwendung
einer mehrstufigen Verstärkung zwischen Spule und Gasentladungsröhre im Sinne der
Erfindung.
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Um ein Ansprechen beider Gasentladungsröhren zu verhindern, das erfolgen
könnte, wenn die an der Spule auftretende Spannung zeitlich periodisch verläuft,
was normalerweise der Fall ist, können erfindungsgemäß zwei Mittel angewendet werden.
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Nach Fig. 7 a wird parallel zu den Klemmen der Spule ein Widerstand
N geschaltet, durch den der aus Spule und Eigenkapazität bestehende Schwingungskreis
so weit gedämpft wird, daß kein periodischer Vorgang mehr auftritt. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, nach Fig. 7b, die Gittervorspannung der beiden
Gasentladungsröhren durch einen Kathodenwiderstand 0 abhängig zu machen von ihrem
Anodenstrom. Wird dann eine der Gasentladungsröhren durch die erste Halbwelle der
überspannung gezündet, so wird dadurch die Gitterspannung der anderen so weit ins
Negative verlagert, daß die zweite Halbwelle umgekehrter Polarität an der anderen
Gasentladungsröhre keine Zündung mehr herbeiführen kann.
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Die Löschung bzw. Beendigung des Steuervorganges kann in der verschiedensten
Weise erfolgen. Im Sinne der Erfindung bevorzugt wird dabei eine Unterbrechung des
Anodenstromkreises der Gasentladungsröhren durch einen mit dem Unterbrecher mechanisch
oder elektrisch gekuppelten zweiten Kontakt im Anodenstromkreis, der mit einer zeitlichen
Verzögerung gegenüber dem Unterbrecherkontakt anspricht. Während der Zeitdifferenz
zwischen dem Ansprechen der beiden Kontakte erfolgt die Steuerwirkung. Bei einer
Temperaturregelung wird während dieser Zeit durch einen Heizwiderstand eine bestimmte,
dem Verwendungszweck angepaßte Wärmemenge zugeführt; bei einer Mengenregelung wird
durch den Stromstoß ein Schrittschaltwerk um einen Schritt weitergeschaltet und
dadurch der Durchflußquerschnitt um eine dem Verwendungszweck angepaßte Größe vermehrt
oder vermindert. Bei einer Lichtregelung wird durch den gleichen Vorgang eine Zusatzbeleuchtung
ein- oder ausgeschaltet, die sich auch nach Fortfall des Betätigungsstromstoßes
eingeschaltet oder ausgeschaltet hält. Ergibt die nächste Prüfung des Zustandes
der Meßgröße durch erneute Unterbrechung des Meßkreises A-B, daß die Meßgröße noch
immer im gleichen Sinnevom Meßwert abweicht, so erfolgt durch erneute Betätigung
des Anodenstromkreises der gleichen Gasentladungsröhre eine weitere Wärmezufuhr,
die weitere Fortschaltung des Schrittschaltwerkes um einen Schritt, oder die Zuschaltung
einer weiteren Zusatzbeleuchtung. Ergibt sie jedoch, daß die Meßgröße vom Nennwert
um weniger als dem Toleranzbetrag abweicht, so erfolgt keinerlei Betätigung und
somit keine Veränderung des Wertes der Meßgröße. Hat dagegen die Regelung zu einer
Übersteuerung geführt, so wird nunmehr bei Betätigung des Unterbrechers im Nullkreis
die andere Gasentladungsröhre gezündet und damit eine im anderen Sinne wirkende
Regeleinrichtung in Tätigkeit gesetzt. Bei derTemperaturregelung wird dann entweder
die Gesamtheizung oder ein Teil davon kurzzeitig abgeschaltet. Bei der Mengenregelung
wird das Schrittschaltwerk um einen Schritt zurückgeführt, bei der Lichtregelung
ein Teil der Beleuchtung ausgeschaltet oder die bei der anderen Regelrichtung eingeschaltete
Zusatzbeleuchtung abgeschaltet. Die Unterbrechung des Anodenstromkreises kann erfindungsgemäß
auch durch einen durch das Ansprechen des Steuerorgans betätigten Schalter erfolgen.
Auf einen besonderen Unterbrecherkontakt im Anodenstromkreis der Gasentladungsröhren
kann im Sinne der Erfindung verzichtet werden, wenn als Anodenspannung für die Gasentladungsröhren
Wechselspannung gewählt wird, da dann automatisch im Nulldurchgang eine Löschung
des Stromimpulses erfolgt.
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Es liegt ebenso im Sinne der Erfindung, das Verfahren dadurch den
verschiedensten Betriebsbedingungen anzupassen, daß mehrere Gasentladungsröhren
mit verschieden hoher Gittervorspannung parallel geschaltet werden, so daß je nach
der Größe der Abweichung der Meßgröße vom Nennwert eine verschieden schnelle Rückführung
auf den Nennwert erzielt wird. Fig. 8 zeigt beispielsweise schematisch eine dreistufige
Regelung dieser Art. Hier sind für eine Stromrichtung drei Gasentladungsröhren G1,
G2, G3 vorgesehen, deren Gitterspannungen so bemessen sind, daß G1 bereits- bei
-kleinen Abweichungen vom Nennwert gezündet wird, G2 bei größeren Abweichungen und
G3 bei ganz großen. Entsprechend wird bei alleinigem Ansprechen des Betätigungsrelais
K1 nur ein kleiner Steuerimpuls (kleine Heizleistung, kleine Schrittzahl des Schrittschaltwerkes,
kleine Zusatzlichtquelle) geschaltet, bei gleichzeitiger Betätigung von K1 und K2
durch G1 und G2 entsprechend größere Impulse. Entsprechende Vervielfachung der Steuerröhre
für die andere Regelrichtung ist in gleicher Weise möglich.
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Soll die Rückführung der Meßgröße nicht auf Null, sondern auf einen
davon abweichenden Nennwert erfolgen, so kann das im Sinne der Erfindung dadurch
erreicht werden, daß der Eingang der Einrichtung nach der Erfindung in den Nullzweig
einer beliebigen Kompensationsschaltung gelegt wird, in der die aus dem Meßfühler
stammende Größe mit einer vorgegebenen Nenngröße verglichen wird. Zum Beispiel kann
für Zwecke der Temperaturregelung die Einstellung auf einen Nennwert dadurch erfolgen,
daß die Spannung des Thermoelementes in Reihe geschaltet wird mit der Spannung eines
beliebigen Spannungsgebers. Werden diese beiden Spannungen gegeneinander geschaltet,
so hört die Steuerfunktion der Einrichtung nur in dem Augenblick auf, in dem Spannungsgleichgewicht,
als die gewünschte Temperatur, herrscht. Als Vergleichsgeber kann dabei sowohl ein
zweites Thermoelement dienen, das die gewünschte Temperatur
unmittelbar
abtastet, oder der Spannungsabfall an einem stromdurchflossenen Widerstand, dessen
Größe an einem üblichen Meßinstrument abgelesen werden kann oder der bei Steuerungszwecken
nach einem Programm eingestellt wird. An Stelle eines Spannungsvergleichs kann auch
ein Stromvergleich (Saugschaltung) treten. Als weiteres Beispiel für die Möglichkeit
einer solchen Schaltung sei die Brückenschaltung erwähnt. Sie ist besonders vorteilhaft,
wenn der Meßfühler die zu messende elektrische Größe in Widerstandsschwankungen
umsetzt. Bei der nachträglichen Enweiterung reiner Meßeinrichtungen zu Steuereinrichtungen
kann das ursprünglich zu Meßzwecken benutzte Instrument, das im Meßkreis durch den
Eingang der Einrichtung nach der Erfindung ersetzt wird, selbst benutzt werden,
ohne daß seine Eichung oder seine sonstigen Eigenschaften geändert zu werden brauchen.
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Die Einstellung des Toleranzbereiches und die Anpassung der Schaltung
an die verschiedenen Zündkennlinien handelsüblicher Gasentladungsröhren kann dadurch
erfolgen, daß die Gitterspannungen der einzelnen Gasentladungsröhren über an sich
bekannte Spannungsteiler regelbar gestaltet werden, und zwar durch Prüfung des Zündwertes
und Rückverstellung vom Zündwert um einen am Spannungsteiler ablesbaren oder an
einem Instrument meßbaren Spannungsbetrag. In gleicher Weise könnte diese Regelung
auch durch Veränderung der Anodenspannung der Gasentladungsröhren erfolgen. Eine
Änderung des Toleranzbereiches kann auch durch Zuschaltung von Dämpfungswiderständen
oder Kondensatoren zur Betätigungsspule D im Meßkreis erfolgen. Bei Verwendung einer
Verstärkerröhre kann der Toleranzbereich auch durch Änderung der Verstärkung dieser
Röhre mit beliebigen Mitteln bewirkt werden.