Pierwszenstwo: 07. XI. 1960 Niemiecka Republika Demokratyczna Opublikowano: 21. IV.. 19 6 5 49379 AZam, 4tP/ KI. 13m, 86 W*) ff.ro MKP G 06 g UKD TfKA lUriedu Patentowego "^WWlifcf Ir* Twórca wynalazku: Klaus Gotte Wlasciciel patentu: Institut fur Regelungstechnik, Berlin (Niemiecka Republika Demokratyczna) Elektromechaniczne analogowe urzadzenie liczace Wynalazek dotyczy elektromechanicznych, ana¬ logowych urzadzen liczacych, znajdujacych za¬ stosowanie przewaznie w automatycznej regulacji.Wykonanie obliczenia równania funkcji Qn = const. y (x, u, v) = const.^¦Y"- na drodze elektromechanicznej, nastepuje za po¬ moca wag pradowych (waga Ampera) przy zasto¬ sowaniu wzmacniaczy, przy czym zmienne nie¬ zalezne x, u i v przedstawione sa za pomoca pradów, oporów lub wielkosci mechanicznych.Znane wykonanie tego rodzaju urzadzen sa bar¬ dzo kosztowne w przypadku, gdy chodzi o do¬ kladne rozwiazanie powyzszej zaleznosci. Roz¬ wiazania majace na celu przyblizone przedstawie¬ nie równania tej funkcji, przynosza pewna oszczednosc pod wzgledem srodków technicznych, jednak na skutek pewnych uproszczen zmuszaja do okreslonego wykonania nadajników wartosci, przedstawiajacych wielkosci x, u i v.Przy pomiarach wielkosci przeplywu (ilosci przeplywajacego czynnika) w gazach, w których miare przeplywu w normalnych metrach szescien¬ nych stanowi pierwiastek z róznicy cisnien sko¬ rygowanych wedlug cisnienia bezwzglednego i temperatury bezwzglednej, wedlug znanego roz¬ wiazania mamy do czynienia z postacia równa¬ nia funkcji 15 20 Vh-\/- W przeksztaltniku mierzonej wielkosci przeply¬ wu (przetworniku wielkosci przeplywu) przy wy¬ chyleniu jednego ramienia wagi na skutek jedno¬ stronnego obciazenia przez róznice cisnien h, w galezi indukcyjnej indukuje sie napiecie, które przy pomocy wzmacniacza przemienia sie w prad staly ii. Prad staly ii wywoluje w ruchomej cewce ramienia wagi pole magnetyczne, propor¬ cjonalne do tego pradu. Elektromagnes polozony naprzeciw ruchomej cewki zasilany jest pradem i2, proporcjonalnym do temperatury bezwzglednej T tak, ze ruchoma cewka jest przyciagana przez elektromagnes, az do wychylenia ramienia wagi, dla której obowiazuje równowaga momentów obrotowych: h ~ ii * i2 Poniewaz i2 ~ T to: ii ~ -_ Prad wyjsciowy ii przeksztaltnika mierzonej wielkosci przeplywu podawany jest na uklad ruchomych cewek ramion wagi w dolaczonym przyrzadzie korekcyjnym, przy czym prad ten jest' mnozony elektromechanicznie przez prad i3 ~ P, istniejacy w elektromagnesie w ten spo¬ sób, ze nadajnik indukcyjny, poprzez wzmacniacz podaje prad J proporcjonalny do wychylenia tego ramienia wagi na uklad cewki ruchomej 4937949379 (cewka ruchoma i elektromagnes polaczone sze¬ regowo) drugiej strony belki wagowej. W wy¬ padku równowagi mamy: J2 ~ ii '¦ i3 Poniewaz i3 ~ P a ii ~ — wiec: J2 ~ — '¦ P T lub J' Vh-\f T . miara dla skorygowane¬ go pomiaru wielkosci przeplywu W ten sposób na przykladzie pomiaru wielkosci przeplywu w gazach, skorygowanego pod wzgle¬ dem cisnienia i temperatury, przedstawione jest scisle na drodze elektromechanicznej równanie funkcji y = const.^•Vr Zachodza przy tym równowaznosci y = J, x = h, u = P, v = T. Wielkosc h podana jest jako war¬ tosc mechaniczna, a wielkosci P i T podane sa w postaci pradów elektrycznych. Do przeprowa¬ dzenia tej operacji rachunkowej w sposób scisly, konieczny jest znaczny naklad srodków w po¬ staci dwóch wag pradowych i dwóch wzmac¬ niaczy.W innym znanym sposobie rozwiazania dodana jest dalsza operacja rachunkowa polegajaca na mnozeniu zmiennej V przez parametr przedsta¬ wiajacy gestosc. Jezeli odrzucic te operacje, to zasada tego rozwiazania przedstawia sie jak na¬ stepuje: W przypadku, gdy prad wejsciowy ie jest pro¬ porcjonalny do róznicy cisnien, jest on podawany na uklad cewek obrotowych I wyposazony w magnes staly, natomiast gdy prad ie jest pro¬ porcjonalny do przeplywu roboczego (a wiec proporcjonalny do j/JT), to uklad cewek wy¬ konany jest jako elektrodynamiczny. Z osia ukla¬ du cewek obrotowych I sprzezona jest sztywno os drugiego ukladu cewek obrotowych (II), wy¬ lacznie elektrodynamicznego, i jezyczek odga¬ lezienia fotoelektrycznego. Polaczenie ukladów cewek ruchomych I i II oraz odgalezienia foto¬ elektrycznego ze stopniem wzmacniajacym daje w efekcie zasade kompensacji analogiczna jak • zasada ramion wagi, a wychylenie ukladu cewek ^ obrotowych I powoduje podobne wychylenie ukla¬ du II. Galaz fotoelektryczna zmienia napiecie siatki w stopniu wzmacniajacym, przy czym prad anodowy ii pochodzacy z tego stopnia, wywoluje w ukladzie cewek obrotowych II moment obro¬ towy przeciwny do ukladu cewek ruchomych I.W przypadku równowagi jest: ie ~ ii2 przy czym ie ~ ' gdy uklad I wyposazony jest w magnes staly wzglednie ie2 czym ie - ~ iiz przy Va gdy uklad I wykonany jest jako elektrodyna¬ miczny W ten sposób otrzymuje sie miare przeplywu roboczego w postaci pradu anodowego i^ ii-J/h 5 Prad anodowy ix wywoluje w czesci oporu ano¬ dowego Rp napiecie ii • Rp, które dostaje sie na wejscie drugiego wzmacniacza. Prad wyjsciowy ia tego wzmacniacza zasila dolaczony odbiornik [0 (przyrzad wskazujacy skorygowana ilosc przeply¬ wajacego czynnika) oraz czastkowe uzwojenie elektromagnesu wzbudzajacego, ukladu cewek obrotowych II, dzialajac jako sprzezenie zwrotne i wywoluje na termometrze oporowym RT napie- 15 cie ia • RT, przeciwdzialajace napieciu wejsciowe¬ mu ii • Rp wzmacniacza.Na skutek sprzezenia zwrotnego pradu ia przez uzwojenie czastkowe elektrodynamicznego ukla¬ du II, w przypadku równowagi momentów obro¬ towych pomiedzy ukladami cewek obrotowych I i II, ulega zmianie wymieniona zaleznosc rów¬ nowagi ii ~ y\[m Teraz musi byc: ie ~ ii • (ii + C • ia) uklad I z magnesem stalym (ie ~ h) 20 25 40 55 60 ie2 ~ ii • (ii + C • ia) uklad I jako elektrodyna¬ miczny ie ~ ]/h) tak wiec w obu przypadkach h ~ ii • (ij + Cia), przy czym stala C uwzglednia udzial amperozwoji uzwoje¬ nia pradowego dla ia w elektromagnesie wzbu¬ dzajacym pole ukladu cewek obrotowych II.Gdy dla ii przewiduje sie nx zwoji a dlaia „ „ na to h ~ njii (niij + naia) na h ~ n^ • ii • (ii H ia), wiec h ~ ii • (ii + C ia), tak ze stala C wynika ze stosunku liczby zwoji.Dla drugiego wzmacniacza jest: Ue ' Rd ¦ ia • Ri ia = A ' Ue, gdzie Ue oznacza napiecie na wejsciu drugie¬ go wzmacniacza pochodzace, poprzez sprzezenie zwrotne, z napiecia wyjsciowego, a litera A ozna¬ cza wzmocnienie pradowo-napieciowe. Z powyz¬ szego wynika dalej: ia = A • (iiRp — iaR-r) ii = L+i4i^ ,A / -^p Podstawiajac te zaleznosc do h = B • ii • [ii + C • ia] gdzie B oznacza wspólczynnik proporcjonalnosci zalezny od wymiarów, otrzymuje sie: B-i 2.- + RT R„ + C (iH R„49379 Z technicznego punktu widzenia, rozwiazanie to przy zastosowaniu wagi pradowej wyglada naste¬ pujaco (rozwazana jest ponownie ogólna postac W ten sposób jest wykonana operacja rachunkowa równania y = const ¦ ^Vy na podstawie tech- 5 nicznych mozliwosci wykonania aparatury): W uwidocznionym na rysunku przykladzie wyko¬ nania x oznacza sile mechaniczna oddzialywujaca na jedno ramie wagi WB. Moze ona równiez dzia- 10 lac w postaci pradu na ruchoma cewke ukladu cewek ruchomych T, M z magnesem stalym wy¬ twarzajacym pole. Podawanie wielkosci u i v na¬ stepuje w postaci oporów o okreslonej wielkosci.Wielkosc x wywoluje moment obrotowy z jed- 15 nej strony ramienia wagi WB. Ramie to wychyla sie, co powoduje wyslanie napiecia z nadajnika indukcyjnego IG na wejscie pierwszego wzmac¬ niacza \stlf którego prad wyjsciowy ii przeplywa przez opór Ri zalezny od wielkosci u oraz przez 20 cewke ruchoma % drugiej strony ramienia wagi.Konieczny tutaj moment obrotowy przeciwnie dzialajacy, w postaci sily przyciagajacej pomie¬ dzy cewke ruchoma T i elektromagnesem wzbu¬ dzajacym pole M sluzacym do nastawiania równo- 25 wagi ramion wagi, wywolywany jest w cewce ruchomej T przez prad ii, a w elektromagnesie przez prad i0 (pochodzenie tego pradu i0 bedzie jeszcze wyjasnione).Prad ii wywoluje na oporze Ri spadek napie- W cia ii • Ri stanowiacy czesc napiecia wejsciowego Ue drugiego wzmacniacza Vst2. Prad wyjsciowy io tego drugiego wzmacniacza plynie przez uzwoje¬ nie elektromagnesu wywolujacego pole, umiesz¬ czonego przy ramieniu wagi, nastepnie przez opór 35 zewnetrzny obciazenia Ra i przez opór R2, pro¬ porcjonalny do wielkosci v. Spadek napiecia wy¬ wolany przez prad i0 na oporze R,2, wynoszacy io • R2 stanowi druga czesc napiecia wejsciowe¬ go Ue drugiego wzmacniacza i przeciwdziala spad- 40 kowi napiecia ix • Rx: Ue = iiRi — ioR2 Pomiedzy napieciem wejsciowym Ue a pradem wyjsciowym i0 drugiego wzmacniacza, zachodzi 45 stala zaleznosc wzmocnienia io = A • Ue A stala wzmocnienia Równowaga ramion wagi ze wzgledu na moment obrotowy pochodzacy od x, uzyskana jest przez moment obrotowy tej samej wielkosci w ukladzie 50 cewek ruchomych x = B • ii • i0 B wspólczynnik proporcjo¬ nalnosci Jest wiec: i0 — A • Ue = A • (iiRi — iQR2) ii = io ¦ Dla wartosci x jest: 1 !?J — + R2 A —+ R2 A x = B •i0 i0 Ri 55 60 65 lo = 1 /- / E-U io = —— • V* Vb gdzie R2 = D •v D, E... wspólczynniki pro- Rx = E • u porcjonalnosci Azeby to rozwiazanie zblizyc do scislej wartosci y = const. vT-j/i. nalezy spelnic tylko jeden warunek: — < D«v to znaczy A — < R2 A Oznacza to mozliwie wysoka czulosc wejsciowa drugiego wzmacniacza Vst2, która mozna ustalic odpowiednio wedlug stopnia przyblizenia tego roz¬ wiazania do rozwiazania scislego. Zgodnie z tym io = y y = const.#-Y*. const.\ BD u = —.Rj v = R2 D Porównanie rozwiazan przyblizonych przy dru¬ gim i trzecim sposobie rozwiazania wykazuje, ze mozliwe jest przyblizone rozwiazanie tego rodza¬ ju przy malym nakladzie srodków technicznych, przy czym mozna je osiagnac z dokladnoscia latwa do wgladu i do ustalenia. Dokladnosc wzrasta ze wzrostem czulosci wejsciowej dru¬ giego wzmacniacza.Elektromechaniczne analogowe urzadzenie licza¬ ce sklada sie wiec z jednostronnie obciazonej sila mechaniczna, np. sila cewek ruchomych wagi pradowej majacej czujnik polozenia wagi i uklad cewek ruchomych. Czujnik jest polaczony poprzez pierwszy, polaczony z opornikiem wzmacniacz z wejsciem drugiego wzmacniacza wzmocnienia i wartosci wyjsciowej, do którego jest dolaczony odbiornik, opornik i uzwojenie elektromagnesu wzbudzajacego pole, przy czym wedlug wynalaz¬ ku przez polaczenie szeregowe oporników (Rx i R2) z wejsciem do drugiego wzmacniacza, jak rów¬ niez na skutek szeregowego polaczenia odbiorni¬ ka (RA), opornika (R2) i uzwojenia elektromagne¬ su wzbudzajacego pole (M) nastepuje na wyjsciu drugiego wzmacniacza spierwiastkowariie iloczy- Ri nu x-— , dzieki czemu na skutek zwiekszenia —+ R2 A wzmocnienia (A) drugiego wzmacniacza fukcja moze zostac z dowolna do- R 1 + R249379 lub: U = 1 V** i Azeby prad wyjsciowy ia wyrazal miare skorygo¬ wanego przeplywu gazu, musi on byc przedsta¬ wiony w postaci: ia = const •Vii y* Dlatego tez wyprowadzone w powyzszy sposób równanie nie moze byó w tej postaci scisle obli¬ czone, lecz trzeba wprowadzic nastepujace przy¬ blizenia — + Rx A C — < Rr- A ¦ azeby uzyskac nastepujace wyrazenie v* r-^-^y* V: W stosunku do koniecznych nakladów, uzyskane przy tym sposobie przyblizenie do scislego roz¬ wiazania tego obliczenia, jest niewystarczajace.W trzecim ze znanych rozwiazan, uklad ramion wagi pierwiastkujacego przeksztaltnika miary róz¬ nicy cisnien w elektromagnesie wzbudzajacym po¬ le posiada dodatkowe uzwojenie. Prad wyjsciowy i0 wzmacniacza, zasila oprócz cewki ruchomej, elektromagnesu i przyrzadu wskazujacego (odbior¬ nik), mostek, na który podawane sa w postaci oporów Rp i Et wielkosci korekcyjne P i T. Na¬ pieciem poprzecznym przekatnej mostka obciazo¬ ny jest wzmacniacz, którego prad wyjsciowy za¬ sila dodatkowe uzwojenie elektromagnesu wzbu¬ dzajacego.Odpowiednie zaleznosci maja wtedy postac na¬ stepujaca: h = B-io-(io + C-il) ii = A •Ue C udzial amperozwoji pradu ii (patrz drugi sposób roz¬ wiazania) Napiecie na prze¬ katnej mostka U€ = i0 - Rp t Rx t 2R U = A • ic ¦ Rt — Rp 2 + Rn + Rl h = B • i0 io + C • A • iQ « RT ~~ Rp 2 + Rp + R! 10 19 29 30 39 40 h-B.g*|l + C-A- *T-R 2 + Rp + Rr i^-^-t/h Rt — Rp Rp + Rt Vb / a \/l+c-Ar+ (patrz trzeci sposób roz¬ wiazania) s Z tego równania widocznym jest, ze bez przybli¬ zen nie otrzyma sie postaci i0 = const. j/g". "¦/ C^- Naklad srodków technicznych jest wprawdzie mniejszy, niz przy drugim sposobie rozwiazania, jednak skomplikowanie sposobu obliczenia przy trzecim rodzaju rozwiazania jest wieksze i wy- 20 maga dokladnego szacowania, aby uzyskac uzy¬ teczne przyblizenie do wyniku scislego.Na podstawie tych znanych przykladów mozna wykazac ze scisle rozwiazanie funkcji y = const.Y* mozna uzyskac Jedynie przy wielkich nakladach na srodki techniczne. Kazde uproszcze¬ nie sposobu rozwiazania, stwarza trudnosci ze wzgledu na dokladnosc koniecznych przyblizen.Zarówno przy drugim jak i przy trzecim spo¬ sobie rozwiazania, przyblizenia te sa stosunkowo trudne do przewidzenia. Wychodzac z przyblizo¬ nego rozwiazania wedlug drugiego sposobu roz¬ wiazania, badano w jaki sposób do wyniku kon¬ cowego *a = Vb Yh- v-*&&, dostaje sie wyraz kwadratowy 49 \ ' *P komplikujacy ten wynik. Spowodowane jest to tym, ze w wyrazeniu h ~ U • (i, + Cia) wystepuje suma Ii + Cia. Skladnik sumy ii w dru- 90 gim czynniku powyzszego iloczynu jest wlasnie powodem wystepowania kwadratowego czlonu l+*u w rezultacie koncowym. 99 \ "P Usuniecie skladnika sumy ii oznaczaloby z tech¬ nicznego punktu widzenia, ze prad ii przechodzi tylko poprzez kotwice ukladu cewek obrotowych II, natomiast nie przechodzi przez uzwojenie wy- oo twarzajace pole. Przez uzwojenie wytwarzajace pole plynalby wylacznie prad wyjsciowy ia. Mo¬ ment pochodzacy od ie i utrzymujacy stan rów¬ nowagi, sklada sie wiec z iloczynu ii • ia. Stala C mozna odrzucic, gdyz uzwojenie wzbudzajace pole 69 nie jest podzielone.49379 kladnoscia zblizona do funkcji y X R2 W przypadku dokonywania pomiaru wielkosci przeplywu w gazach, skorygowanej pod wzgle¬ dem cisnienia i temperatury zaklada sie, ze: x = h Wtedy prad wejsciowy iQ wyrazi sie nastepujaco: Vb ¦Vh Vz Jezeli Ri = E • P (zmienna niezalezna u oznacza w tym wypadku cisnienie P) a R2 = D • T (zmien¬ na niezalezna c oznacza temperature T), to: •. = ]/: E_ B-D ""lAF Dla — < R2 mamy w przyblizeniu: A *°-V^f-Vh-V- Istnieja nastepujace mozliwosci osiagniecia przy¬ blizenia do scislego rozwiazania: W przypadku, gdy opór Ri sluzy jako miara cis¬ nienia P (wspólczynnik proporcjonalnosci E), a opór R2 jako miara temperatury T (wspólczynnik pro¬ porcjonalnosci D), to badz to spelnia sie waru¬ nek — < R2, badz tez^ wlacza sie — w R2 w ten A A sposób, ze te(JL +*).R2 = Ro'[l + «(T —Tn)] Jezeli R2 wykona sie jako termometr oporowy, to jest: R2 = R0 (1 + a • t) R0. ..opór przy 20° C (t = O) .. wspólczynnik tem¬ peraturowy = R0 • (1 — a - Tn + a • T) T, Tn .. temperatura bezwzgledna = R0 • (1 — a • Tn) + Ro • « * T [°K] Dla termometru oporowego jest a • Tn 1, to zna¬ czy Ro • (1 — a Tn) < O.Jezeli A uksztaltujemy tak, ze 1 = Ro • (a -Tn —1), to i = —— Yh -l/—— = const. j/h • 1/ ° l/B \ R0-a.T X W ten sposób uzyskuje sie scisle rozwiazanie rów¬ nania funkcji y = const.. y'x w tym szczególnym przypadku.Pod wzgledem technicznym oznacza to, ze wzmoc¬ nienie napieciowo-pradowe w drugim wzmacnia¬ czu musi uzyskac wartosc A. 1 R0.(o.Tn-l) Dokladnosc tego obliczenia okreslona jest przez: dokladnosc danej wartosci x = h, dokladnosc na- 10 25 30 10 stawiania oporu Rlf dokladnosc termometru opo¬ rowego R2, dotrzymanie wzmocnienia A, drugi wzmacniacz o oporze wejsciowym Re ^ Ri, R2 i oporze wyjsciowym Ri (Ra + R2) oraz pierw- 5 szy wzmacniacz o oporze wyjsciowym Rx 35 40 45 50 55 60 65 PL