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Thermische Rückführung für Regler Es sind thermische Rückführungen
für Regler bekannt, deren Nachstellzeit der Trägheit der Regelstrecke angepaßt werden
kann. Zur Einstellung der Nachstellzeit werden hierbei die Abkühlungsverhältnisse
von Heizkörpern beeinflußt, die z. B. Thermoelemente oder Widerstandsthermometer
beheizen und dadurch die Rückführgröße für den Regler erzeugen. Bei einer bekannten
Anordnung sind auf massive metallische Heizkörper elektrische Heizwicklungen aufgebracht,
und der gegenseitige Abstand der Heizkörper, die Thermoelemente beheizen, kann verändert
und hierdurch der Wärmeübergang eingestellt werden.
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Es sind auch bereits keilförmige Abschirmkörper verwendet worden,
die zwischen die Heizkörper eingeschoben werden und hierdurch den Wärmeaustausch
verändern. Bei den bisher erwähnten thermischen Rückführungen läßt sich die Nachstellzeit
ohne Auswechseln des Heizkörpers nur etwa im Bereich 1: 3 verändern.
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Einen etwas größeren Verstellbereich erzielt man mit einer Rückführung,
deren Heizkörper aus parallelen Platten oder koaxialen Hohlzylindem bestehen, die
zur Einstellung des Wärmeübergangs in zueinander parallelen Ebenen verschiebbar
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einstellbereich derartiger
Rückführungen wesentlich zu vergrößern, so daß für beliebige Regelaufgaben die gleiche
Rückführung verwendet werden kann, ohne daß die Heizkörper ausgewechselt werden
müssen. Dieses Ziel läßt sich dann erreichen, wenn es möglich wird, den Einstellbereich
für die Nachstellzeit mindestens im Verhältnis 1: 20 zu ändern.
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Ein so großer Einstellbereich wird bei der thermischen Rückführung
gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß jeder Heizkörper in mindestens zwei Teilkörper
aufgeteilt ist und die Teilkörper derart gegeneinander verstellbar sind, daß sie
in der einen Extremstellung mit ihren Trennflächen aufeinander liegen und einen
Körper großer Wärmekapazität mit möglichst kleiner Oberfläche bilden und in der
anderen Extremstellung mindestens je eine Trennfläche jedes Teilkörpers des
einen Heizkörpers an einer Trennfläche eines Teilkörpers des anderen Heizkörpers
anliegt.
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Von jedem Teilkörper wird ein elektrischer Temperaturfühler, z. B.
ein Thermoelement beheizt und die Temperaturfühler der zu einem Heizkörper gehörenden
Teilkörper sind in Reihe geschaltet, so daß sich ihre Wirkungen addieren. Das Maximum
der Nachstellzeit wird erhalten, wenn die Teilkörper mit ihren Trennflächen aufeinander
liegen und einen geschlossenen Körper großer Wärmekapazität und kleiner Oberfläche`
bilden. Werden die Teilkörper der Heizkörper untereinander in Wärmeaustausch gebracht,
so daß möglichst viele Trennflächen der Teilkörper des einen Heizkörpers Flächen
von Teilkörpern des anderen Heizkörpers berühren, so geht der Wärmeaustausch sehr
schnell vor sich, und es können je
nach der Konstruktion der Teilkörper Nachstellzeiten
von einigen Sekunden erreicht werden.
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Zweckmäßig werden für die Heizkörper massive metallische Körper von
solchen geometrischen Formen verwendet, die ein günstiges Verhältnis von Volumen
zur Oberfläche aufweisen. Besonders geeignet wären Heizkörper in Kugelform, jedoch
läßt sich auf derartigen Körpern die elektrische Heizwicklung nur schwierig anbringen,
so daß aus konstruktiven Gründen Heizkörper zylindrischer Form vorzuziehen sind.
Als Temperaturfühler, die von den Teilkörpern beheizt werden, sind Thermoelemente
mit großer Thermokraft besonders geeignet, z. B. die neuerdings gefertigten Halbleiterthermoelemente.
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An Hand der Zeichnung sollen einige Ausführungsbeispiele von gemäß
der Erfindung aufgebauten Rückführungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen
sind dabei rein schematisch gehalten und sollen lediglich das Prinzip der neuen
Rückführung erläutern.
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Fig. 1 und 2 zeigen dabei eine Rückführung mit zylindrischen
Heizkörpern, die in je zwei Teilkörper unterteilt sind; nach Fig.
3 ist eine Unterteilung zylindrischer Körpei in vier Teilkörper angenommen;
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung von Leitblechen, die in den Trennflächen
der Teilkörper angebracht werden können, um bei der Verstellbewegung die Funktion
des Wärmeübergangs passend zu beeinflussen;
Fig. 5 bis
8 schließlich zeigen ein Beispiel, bei dem die Teilkörper zur Einstellung
des Wärmeübergangs zunächst voneinander entfernt und dann ineinandergeschoben werden.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer Rückführung,
die im linken Teil der Figur in der Seitenansicht und im rechten Teil in der Ansicht
von oben dargestellt ist. Die Heizkörper H, und H, sind in zwei Teilkörper
1, 2 bzw. 3, 4 unterteilt. Die Teilkörper bestehen beispielsweise
aus massiven Kupferzylindem und tragen auf ihrem Umfang Heizwicklungen
9, 10 bzw. 11, 12. Die Heizwicklungen 9,
10 werden in
bekannter Weise eingeschaltet, wenn der Stellimpuls in eine Richtung verläuft, während
die Heizwicklungen 11, 12 angeschlossen werden, wenn ein Stellimpuls in der
entgegengesetzten Richtung gegeben wird. Jeder Teilkörper ist mit einem Thermoelement
ausgerüstet, das die Temperatur des betreffenden Teilkörpers annimmt. So liegen
beispielsweise die Thermoelemente 5, 6 an den Teilkörpem 1, 2 und
die Thermoelemente 7, 8 an den Teilkörpem 3, 4 an. Als Therrnoelemente
werden zweckmäßig Halbleiterelemente verwendet, da diese eine hohe EMK abgeben.
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Zwischen den Teilkörpem 1, 2 ist ein Leitblech 14 angeordnet,
das beispielsweise die in Fig. 4 gezeigte Form besitzen kann. Ein gleichartiges
Leitblech 15 ist zwischen den Teilkörpern 11 und 12 eingefügt.
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In der Stellung nach Fig. 1 liegen die Teilkörper
1, 2 und 3, 4 aufeinander und bilden einen geschlossenen Körper hoher
Wärmekapazität. Wird beispielsweise der Heizkörper H, von den Heizwicklungen
9, 10 während eines Stellimpulses aufgeheizt, so vergeht eine sehr lange
Zeit, bis dieser Heizkörper sich soweit abkühlt, daß er die Temperatur des Heizkörpers
H, erreicht. Es lassen sich hierbei ohne besonderen Aufwand Zeiten von 20 bis
30 Minuten erreichen. Die Teilkörper 2, 4 sind mit einer Platte
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verbunden und lassen sich in der Ebene der Trennflächen zwischen den Teilkörpem
ausschwenken. Sind diese Teilkörper beispielsweise um einen Winkel von
90' aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung herausgeschwenkt, so kühlen
sie sich schneller ab, da eine größere Zahl von Flächen am Wärmeaustausch mit der
Umgebungsluft teilnimmt. Werden die Teilkörper 2, 4 noch weiter verschwenkt, so
daß die Trennfläche des Teilkörpers 4 die des Teilkörpers 1
und die Trennfläche
des Teilkörpers 2 die des Teilkörpers 3 berührt, so wird der Wärmeübergang
zwischen den Teilkörpern 1, 2 und 3, 4 beschleunigt und erreicht schließlich
ein Maximum, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die Teilkörper 2, 4 den Teilkörper
1, 3
gegenüberstehen und sie über die Leitbleche 14, 15
berühren.
In dieser Stellung wird die kürzeste Nachstellzeit der Rückführung erreicht, da
bei einer Beheizuno, der Teilkörper 1, 2 die Wärme unmittelbar an die Teilkörper
3, 4 abgegeben wird. Die Nachstellzeit kann für diesen Fall einen Wert erreichen,
der unter 1 Minute liegt.
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Mit der beschriebenen Anordnung läßt sich somit ein Einstellverhältnis
der Nachstellzeit von 20: 1 erreichen, wenn die Teilkörper von der Stellung
nach Fig. 1 in die Stellung nach Fig. 2 gebracht werden. Um das Verhältnis
möglichst günstig zu machen, ist es zweckmäßig, für die Heizkörper H, und H2 Körper
zu wählen, die im Verhältnis zu ihrem Volumen eine möglichst kleine Oberfläche besitzen.
Am günstigsten wäre die Kugelform, wobei die Teilkörper 1, 2 bzw.
3, 4 Halbkugeln bilden würden. Derartige kugelförmige Körper lassen sich
jedoch nur unter konstruktiven Schwierigkeiten mit einer Heizwicklung versehen.
Deshalb werden zweckmäßig zylinderförmige Heizkörper verwendet und wird die Höhe
des aus den Teilkörpern zusammengesetzten Zylinderkörpers etwa gleich dem Zylinderdurchmesser
gewählt.
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Die Heizkörper H, und H, können nach Fig. 3
auch in eine größere
Anzahl #on Teilkörpern unterteilt werden. Fig. 3 gibt eine Unterteilung in
vier Teilkörper 21 bis 24 bzw. 25 bis 28 an. Die Teilkörper 21 bis
24 bzw. 25 bis 28 werden wieder gemeinsam bei einem Stellimpuls beheizt.
Mit jedem Tellkörper kann ein Thermoelement verbunden werden, das die Temperatur
dieses Körpers mißt und sämtliche Thermoelemente sind in Reihe geschaltet. Es genügt
jedoch, wenn nur einem Teilkörper jedes Heizkörpers ein Thermoelement zugeordnet
wird. wenn die hierbei für den Regler gewonnene Rückführspannung ausreicht. Je ein
Thermoelement wird dann z. B. von den Teilkörpern 24 und 28 beheizt. In der
schematischen Darstellung der Fig. 3 sind die Thermoelemente und die Heizwicklungen
nicht eingezeichnet. Die Teilkörper 22 und 24 sind mit den Teilkörpern
26 und 28 über Befestigungsmittel 17, 18
miteinander und mit
der Welle 16 verbunden. Die Welle 16 ist über einen Drehknopf
29 verstellbar und an den Stellen 19, 20 gelagert. In der Stellung
nach Fig. 3 bilden die Teilkörper 21 bis 24 bzw. 25 bis
28
einen geschlossenen Heizkörper H, bzw. H, von großer Wännekapazität. Das
entspricht einem Maximum der Nachstellzeit der Rückführung. Wird die Welle
16 verdreht, so treten die Teilkörper 22, 24 und 26, 28 aus den anderen
feststehenden Teilkörpern heraus und die Trennflächen können selbständig Wärme abstrahlen,
so daß die Nachstellzeit der Rückführung verringert wird. Ein Minimum an Nachstellzeit
wird erreicht, wenn die Welle um 1801 verdreht ist und die Teilkörper 22,
24 den Teilkörpern 25, 27 gegenüberstehen, während die Teilkörper
26,
28 an den Trennflächen der Teilkörper 21, 23 anliegen.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für die Ausbildung von Leitblechen,
die zwischen einander gegenüberstehenden Flächen von Teilkörpem eingefügt werden
können, um bei der Schwenkbewegung der einen Gruppe der Teilkörper eine gewünschte
Funktion für den Wärmeübergang zu erzielen. Die Leitbleche werden beispielsweise
nach Fig. 1 an den feststehenden Teilkörpern 1 und 3 befestigt
und bestehen aus dem gleichen Material wie diese.
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An Hand der Fig. 5 bis 8 soll eine andere Art der Einstellbewegung
für die Teilkörper erläutert werden. Nach Fig. 5 stehen die Teilkörper 21
bis 24 bzw. 25
bis 28 jedes Heizkörpers einander wie in Fig.
3 gegenüber und bilden einen geschlossenen Körper hoher Wärmekapazität. Um
die Nachstellzeit der Rückführung zu verringern, wird mit einer nicht dargestellten
Verstellvorrichtung der Abstand der Teilkörper untereinander vergrößert, so daß
sie beispielsweise die Lage nach Fig. 6 erreichen. Der Abstand der Teilkörper
entspricht hierbei der Breite der einzelnen Körper. Um die Nachstellzeit weiter
zu verkleinem, werden durch die obenerwähnte oder eine andere Verstelleinrichtung
die Teilkörper aufeinander zu bewegt, so daß sie nach Fig. 7 ineinandergreifen.
Sobald die Stellung nach Fig. 8 erreicht ist und die
Teilkörper
des einen Heizkörpers zwischen den Teilkörpern des anderen Heizkörpers liegen, ist
der optimale Wärmeaustausch und die kleinste Nachstellzeit erreicht. In den Fig.
5 bis 8 sind wiederum die Heizwicklungen und die Thermoelemente nicht
dargestellt.
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Für die Temperatunnessung können an Stelle von Thermoelementen auch
andere Ternperaturfühler, beispielsweise Widerstandsthermorneter, verwendet werden.