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Selbsttätige elektrische Regeleinrichtung mit Impulsgerät, Verstellmotor
und Rückführeinrichtung Die Aufgabe einer Regelung ist die Änderung einer physikalischen'Größe
in Abhängigkeit von einer zweiten, wobei die zu regelnde Größe die abhängige Größe
ist, während die den Regelvorgang beeinflussende Größe als unabhängige Größe -anzusehen
ist. Die ab-. hängige Größe kann eine Temperatur, ein Druck und eine Geschwindigkeit
sein, die unabhängige ist meistens die Zeit, an deren Stelle jedoch wiederum eine
beliebige physikalische, wie Temperatur; Druck usw., treten kann. In den weitaus
meisten Regelfällen soll eine physikalische Größe konstant gehalten werden. Dies
geschieht, indem irgendeine von einem bestimmten Betrag abweichende Betriebsgröße
eine Steuerbewegung einleitet, welche wiederum auf die Betriebsgröße zurückwirkt.
Da die Einleitung der Steuerbewegung nur in seltenen Fällen eine sofortige Veränderung
der Betriebsgröße, und zwar die Rückkehr auf den gewünschten Betrag zur Folge hat,
tritt die Wirkung der Steuerbewegung meist erst nach längerer Zeit ein. So wird
z. B. bei der Temperaturregelung bei: Abweichung des Ist-Wertes vom Soll,-Wert der
;notwendige Regelvorgang zwar unmittelbar näch dein Auftreten dieser Abweichung
eingeleitet. Es dauert jedoch einige Zeit, bis die Betriebsgröße ihren Soll-Wert
erreicht 'hat. Die meIsten verwendeten-Regler beeinflussen die Steuereinrichtung
so lange, bis das Meßorgan des Reglers den Soll-Wert ,anzeigt. Da die Auswirkung
des, Regelimpulses sich jedoch erst nach einiger Zeit bemerkbar macht (Regelverzögerung),
so tritt ein' Überregeln auf. Diese überregelung läßt sich niemals ganz vermeiden,
daher muß das Maß für die Überregelung so niedrig gehalten werden, daß zumindest
keine schweren Pendelungen im Betrieb vorkommen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig,
die Änderungsgeschwindigkeit des Steuervorgangs dem Regelvorgang anzupassen. Weiter
besteht die Möglichkeit, den Einfluß der Regelverzögerung auf den Regelvorgang durch
eine Rückführung, zu verhindern. Die Rückführung kann einer Funktion der unabhängigen
Größe proportional sein, dann liegt eine sogenannte starre Rückführung vor, oder
.sie kann einem zeitlichen Verkleinerungs- oder Vergrößerungsgesetz folgen. In diesem
Fall spricht man von einer elastischen Rückführung. Bei elastischen Rückführungen
ist wieder zu unterscheiden zwischen Rückführung für lange und für kurze Verzögerungen.
Unter letzteren Begriff werden alle Rückführungen
in der Größe
bis zu io Sek. zusammengefaßt, während Rückführungen für lange Verzögerungen Rücklaufzeiten
von mehr als i o Sek. besitzen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist eine elastische Rückführung für lange
Verzö:,-:, rungen, welche für jeden beliebigen Regelvorgang und jede physikalische
Größe Anwendung finden kann. Es ist bereits eine mit einem Verstellmotor arbeitende
selbsttätige Rückführungseinrichtung bekannt: Gegenüber der vorliegenden Erfindung
hat sie folgende Nachteile: Ihre Arbeitsweise ist abhängig von Spannungsschwankungen.
Für die Betätigung ist das Zusammenwirken mehrerer Drehmomente notwendig. .
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Lange Rückführungszeiten sind nicht einstellbar. Bei jeder auch geringen
Abweichung .des Ist-Wertes vom Soll-Wert tritt die Rückführung in Wirksamkeit und
täuscht einen geänderten Ist-Wert vor.
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Zur besseren Darlegung der Wirkungsweise der Erfindung sei als Beispiel
die Temperaturregelung von industriellen Ofenanlagen herausgegriffen: Für derartige
Ofenanlagen sind thermische Quecksilberrückführungen bekannt. Sie bestehen zumeist
aus zwei gasgefüllten Gefäßen mit einer Verbindungsleitung, in welcher das Quecksilber
untergebräclit ist. Beim Einschalten eines Steuerstromkreises wird durch die Ausdehnung
des Gases in einer Kammer der Quecksilberspiegel verschoben. Nach Beendigung der
Energiezufuhr nimmt das Quecksilber durch den Temperaturausgleich seine Mittellage
wieder ein. Je länger der Steuerstromkreis geschlossen war, um so länger dauert
es auch, bis das Quecksilber wieder seine Mittellage einnimmt; und um so größer
ist auch der Wert, um welchen das Quecksilber aus seiner Mittellage verstellt wurde.
-Die Abkühlung der geheizten Körper tritt bekanntlich nach einer Exponentialkurve
ein, deren Schnittpunkt mit der Zeitgeraden einen sehr kleinen Winkel einschließt.
Durch diesen Umstand ist insbesondere bei längeren Rückführungszeiten bei verschiedenen
Regelfällen nicht immer dieselbe Rückführzeit zu erreichen, wozu durch die Änderung
der Wärmeübergangszahl auch noch eine gewisse Abhängigkeit von der Raumtemperatur
hinzutritt. Weiter ist für viele Regelvorgänge wichtig, die Formen der Rücklaufkurve
den gestellten Regelproblemen anzupassen und vor allem auch die Rückführzeit in
weiten Grenzei zu verändern. Alles dies ist bei thermischen Rückführungen nur durch
Änderung der Zeitkonstante möglich, welche durch die Wahl der Abmessung des Gefäßes
und des Füllgases zwar verändert werden kann. Diese Änderung ist jedoch recht umständlich
und erfordert eine große Anzahl der verschiedensten Gefäßausführungen und YFüllungen
für die verschiedenen Betriebs-'. fälle. Alle diese Nachteile werden bei einer @`=elastischen
Rückführung nach der Erfindung "-vermieden, da der Umkehrmotor` durch Verstellung
der Bürsten gesteuert wird und der Steuerwiderstand sowie die Drehzahl des Motors
ohne die geringsten Schwierigkeiten jedem beliebigen Betriebsverhältnis angepaßt
werden kann.
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Bei einer selbsttätigen elektrischen Regeleinrichtung mit Impulsgerät,
Verstellmotor und einer Rückführeinrichtung, die gleichzeitig mit dem Verstellmotor
unter Einwirkung eines Impulses betätigt wird, wird daher die Ausbildung erfindungsgemäß
so getroffen, daß die Rückführeinrichtung einen Differentialmotor enthält, dessen
beide gegeneinandergeschaltete, mit der Spannungsspule zusarnmenwirkende Antriebsspulen
zu je einer Erregerwicklung des Verstellmotors parallel liegen und dessen Triebwelle
Abgriffe auf zwei Widerständen verschiebt, von denen der eine zur Rückführung dienende
Widerstand an zwei weiteren gegeneinandergeschalteten Spulen des Differentialmotors
liegt, während der andere zur Vortäuschung des Soll-Wertes dienende Widerstand zwischen
zwei aneinanderliegenden Zweigen der Meßbrücke eingeschaltet ist, so daß der auf
ihnen gleitende Abgriff einen Eckpunkt der Spannungsdiagonale der Meßbrücke bildet.
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In der Abbildung ist eine elastische Rück-Führung für lange Rücklaufzeiten
entsprechend der Erfindung dargestellt; und zwar in einer Ausführungsform, welche
besonders für die Regelung industrieller Ofenanlagen zweckmäßig ist. Das Thermoelementi
dient zur Ermittlung der zu regelnden Ofentemperatur und ist in Serie mit dem Regelgalvanometer
:2 in die Meßdiagonale einer Wheatstoneschen Brücke eingeschaltet; welche von den
Widerständen 3, d., 5 und 6 gebildet wird. In der Speisediagonale der Brücke ist
eine Batterie 7, ein Kontrollinstrument 8 und ein Einstellwiderstand 9 angeordnet.
Der zweite Endpunkt der Speisediagonale liegt nicht fest an der Brücke, vielmehr
kann durch die Verschiebung des Kontaktarmes io auf dem Widerstand ii der Anschlußpunktdieses
Speisepunktes, bewgen auf die Brückeinwderstände q. und 6, verschoben werden. Der
Widerstand ii ist kreisförmig angeordnet und kann einen Winkel bis etwa 340° ausfüllen.
Symmetrisch zu den Enden des Widerstandes, in der Mitte gelegen, sind einige Windungen
durch eine Kupferlamelle 12 kurzgeschlossen, so daß eine Verschiebung der Kontaktbürste
io um
wenige Grade nach links öder rechts keinen Einfluß auf die
Einstellung der Brücke besitzt. Das Regelinstrument 2 betätigt bei Abweichen aus
seiner Mittelstellung durch eine Fallbügel- oder sonstige Verstärkereinrichtung
die Kontakte 13 oder 14, welche eine der Wicklungen des Steuermotors 15 unter Spannung
setzen und einen Rechts- oder Linkslauf dieses Motors bewirken. Hilfs-' kontakte
und Steuermotor liegen an der Stromquelle 16. Die Linkslaufwicklung des Motors 15
ist mit 17, die Rechtslaufwick-Jung mit 18 bezeichnet. An die Außenleitung der Kontakte
13 und 14 ist noch die Differentiälwicklung i9 und 2o eines Ferraris-Induktionstnotors
angeschlossen, wobei die Wicklung ig parallel zur Linkslaufwicklung 17 des Motors
15, der Teil 2o der Differentialwicklung parallel zur Wicklung r8 geschaltet -wurde.
Die Größe der Spannung, welche an diesen Differentialwicklungen auftritt, kann mit
Hilfe des Potentiometerwiderstandes 21 in weiten Grenzen verändert werden. Der eine
Eisenkern 22 des. Ferraris-Motors trägt aber außerdem noch zwei weitere Differentialwicklungen
23 und 24, der andere Eisenkern 25 des Ferraris-Motor s die Wicklung 2C, welche
unmittelbar an das Hilfsstromnetz 16 angeschlossen ist. Die Wicklungen 23 und 24
liegen einerseits an dein Potentiometer 27, andererseits an der, blanken Wicklung
28 eines Widerstandes, auf welcher eine Kontaktfeder 29 gleitet. Die Wicklung 28
ist durch das Isolierstück 30 unterbrochen, das einen ebenso großen Winkel einnimmt
wie das Kontaktstück 12 beim Widerstand ii. Das Isolierstück 3o ist durch den Widerstand
31 überbrückt, dessen Größe verändert werden kann. Zwischen den Eisenkernen 22 und
25 dreht sich die Aluminiumscheibe 32, welche über das. Schneckenrad 33 die Achse
34 verstellt, auf der die vorerwähnten Kontaktarme io und 29 fest angebracht sind.
Außerdem ist noch ein Bremsmagnet 35 für die Aluminiumscheibe 32 vorgesehen.
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Die dargestellte Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Es sei zunächst
angenommen, daß die elektromotorische Kraft des Thermoelementes i infolge Absinkens
der Ofentemperatur kleiner geworden sei als die eingestellte Potential--differenz,
welche von der Meßdiagon ale an den Eckpunkten der Brückenwiderstände 3, 4, 5 und
6 abgegriffen wird, die ihrerseits der Soll-Temperatur entspricht. Dadurch wird
der Kontakt 13 geschlossen. Die Wicklungen 18 und 2o werden dadurch an die Hilfsspannung
16 angeschlossen. Der Verstellmotor 15 vergrößert die Energiezufuhr, während der
von der Wicklung 20 im Eisen 22 induzierte Fluß mit dem Fluß des Spannungseisens
25 zusammen ein Drehmoment erzeugt und die Kontaktarme io und 29 aus ihrer Mittellage
im eingezeichneten Sinn verstellt. Dadurch wird der Widerstand 6 der Brücke verkleinert,
der Widerstand 4 dagegen vergrößert. Es fließt im Thermoelement ein zusätzlicher
Strom in demselben Sinn, der bei Erhöhung der Temperatur im Ofen auftreten würde,
m. a. W. die von der Brücke gelieferte Gegenspannung geht zurück, und dem Regelgerät
2 wird vorgetäuscht, dat der Effekt, welchen die Verstellung :des Motors bewirken.
soll, nämlich die Erhöhung der Ofentemperatur, bereits ` während der wenigen Sekunden
erreicht sei, während welcher der Zeiger des Galvanometers 2 bei 13 Kontakt gegeben
hat. Außer dem Kontakt io wurde jedoch mit. der Welle 34 noch der Kontakt 29 aus
seiner Nullage herausgedreht. Dadurch fließt in der Wicklung 23 ein größerer Strom
als in der Wicklung 24, und der resultierende Fluß, der dem von der Spule 2o induzierten
entgegengesetzt ist, bildet mit, dem Fluß der Spannungsspule 26 wiederum ein Drehmoment
aus, welches die Scheibe 32 nach Art einer elektrischen Feder langsam zurückdreht,
was so lange fortgesetzt wird, bis der Kontakt 29 auf das IsolierStllCk 3o aufläuft.
Da dem Kontaktinstrument 2 vorgetäuscht wurde, daß die richtige Temperatur erreicht
ist, wird bei wiederholtem Ansprechen der Verstärkereinrichturng z. B. eines Fallbügels
keiner der Steuerkontakte betätigt. Ist jedoch nach Beendigung der Rücklaufzeit
die Temperatur trotz der Betätigung des Verstellmotors 15 nicht wiederhergestellt,
so wird ein weiterer Impuls gegeben. Bei starkem Abweichen der Ist-Temperatur von
ihrem Soll-Wert wird ein einziger Impuls des Regelgerätes nicht genügen, um das
Erreichen der richtigen Temperatur vorzutäuschen Lind eine genügende Verstellung
des Motors vorzunehmen. Es sind dann mehrere Impulse notwendig, die den Verstellmotor
15 und den Rückführkontakt-zo um einen entsprechend größeren Betrag verstellen.
Die elastische Rückführung hält die Täuschung über den tatsächlichen Meßwert in
einem solchen Fall durch längere Zeit aufrecht. Die Größe der Täuschung folgt einem
zeitlichen Gesetz.
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In ganz ähnlicher Weise arbeitet die Regeleinrichtung bei Herabsetzung
der Energiezufuhr im entgegengesetzten Sinn. Für die Störung . des Gleichgewichtes
der Brücke stehen im allgemeinen nur wenige Sekunden zur Verfügung, weshalb die
Wicklungen 19 und 2o im allgemeinen auch stärker ausgelegt werden als die Wicklungen
23 und 24, welche beim Rücklauf betätigt werden. Der Rücklauf erfolgt je
nach der Einstellung des ganzen Gerätes mehr oder weniger langsam. An
Stelle
des Thermoelementes kann in der dargestellten Schaltung in an sich bekannter Weise
auch ein Widerstandsthermometer treten. Die elastische Rückführung nach der Erfindung
läßt sich ebenso wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in allen jenen Fällen
anwenden, bei welchen eine elastische Rückführung für Regelprobleme mit langen Verzögerungen
notwendig ist. Für die Wicklung i i wird zweckmäßig eines der bekannten Widerstandsmaterialien
verwendet, während die Wicklung 2@8 zweckmäßig aus gut leitendem Material (Bronzedraht)
besteht.
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Um eine beliebige Rücklaufgeschwindigkeit zu verschiedenen Rücklaufzeitpunkten
zu erhalten, genügt es, einen Kontaktarm, der die Größe des beliebig abgestuften
Widerstandes 31 verstellt, gleichfalls von der Welle 34 aus anzutreiben.
Bei einer gleichfalls zweckmäßigen Anordnung bleibt die Größe des Widerstandes 31
unverändert, dagegen verstellt die Welle 34 durch starre Kupplung mit Kontakt 27
die Größe des Potentiometerabgriffes.
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Vorstehend dargestellter Rückführmotor läßt sich selbstverständlich
sehr verschiedenartig ausführen.. Besonders zweckmäßig ist die bei dem dargestellten
Beispiel gewählte Bauart als Differentialmotor mit einer doppelten Differentialwicklung
. Um den Motor billig zu gestalten, wurde der Aufbau eines Induktionszählers vorgesehen,
dessen Aufbauteile besonders billig hergestellt werden. Es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß an Stelle des Differentialmotors auch ein Rückführmotor treten kann, bei welchem
das gemeinsame Triebwerk in zwei voneinander unabhängige Triebwerke unterteilt ist.
Die Wicklung des Motors wird je nach dem Bedarfsfall ausgelegt, im allgemeinen wird
die Verstellung des Motors aus seiner Nullage rascher erfolgen als die Rückführung.
Die Art und Weise der Rückführung des Motors in seine Nullabe erfolgt nach Art einer
elektrischen Feder mit oder ohne Vorspannung. Im vorliegenden Fall wurde die Auslegung
derart gewählt, daß die Rücklaufgeschwindigkeit im Augenblick der Verstellung bis
zur Rückkehr konstant ist. Die Arbeitsweise des Motors entspricht daher einer Feder
mit starleer Vorspannung.
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Bei manchen Verwendungsfällen kann an Stelle dieser Ausführung eine
andere treten, welche entsprechend einer Feder ohne Vorspannung arbeitet. Zu diesem
Zweck ist es lediglich notwendig, die Wicklung 28 als Widerstandsmaterial anzufertigen
und den Widerstand 31 fortzulassen. Die Laufgeschwindigkeit des Motors kann durch
veränderliche Widerstände, welche weiter nicht dargestellt sind, und durch Änderung
der Stellung des Bremsmagneten dem jeweiligen Regelfall angepaßt werden.