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Elektrischer Regler für alle physikalischen Größen, die durch Zeigerinstrumente
gemessen werden, bei dem der Ausschlag des Zeigerinstruments als Impulsgeber dient
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Regelvorrichtung, hei der der Ausschlag
(genauer: seine Abweichung gegenüber dem Sollwert) eines Zeigers, der die zu messende
Größe, wie Strom, Spannung, Temperatur anzeigt, als Impulsgeber dient.
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Es ist schon eine Anzahl solcher Regelvorrichtungen bekannt. Einige
lassen durch den Zeiger den auf eine Photozelle fallenden Lichtstrom einer Lampe
steuern, andere einen glühenden Draht abkühlen und dadurch seinen Widerstand ändern.
Auf diese Weise lassen sich aber nur sehr kleine Steuerspannungen (Größenordnung
i mV) erzielen, die erst hoch verstärkt werden müssen, bevor man mit ihrer Hilfe
den Regelmechanismus betätigen kann. Eine wesentlich ökonomischere Anordnung erhält
man, wenn, wie gleichfalls bekannt, der Zeiger oder eine mit ihm verbundene Elektrode
die eine Belegung eines Kondensators bildet, während die andere Belegung fest angeordnet
ist. Dabei ändert sich durch die Bewegung des Zeigers die Kapazität dieses Kondensators,
und durch Anwendung einer hohen Kondensatorspannung lassen sich auf diese Weise
relativ große Steuerspannungen (Größenordnung io V) erzielen, so daß durch sie ohne
zusätzliche Verstärkung ein Elektronenendrohr ausgesteuert und mit dessen Anodenstrom
unmittelbar ein Motor in Betrieb gesetzt werden kann. Diese Anordnung hat aber den
Nachteil, daß infolge der Kapazitätsänderung eine mechanische Kraft in der
Ausschlagsrichtung
des Zeigers auftritt, die im Prinzip die Messung fälscht.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung vermeidet diese Nachteile. Sie
benutzt nicht das elektrische Feld eines Kondensators zur Ableitung einer Steuerspannung,
sondern ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Magnetfeld wird erzeugt im Luftspalt
einer Drosselspule a zwischen dem Eisenkern b und dem Joch c (Abb. i). Die Wicklung
d ist so angeordnet, daß ihre Durchflutung ein Magnetfeld im Luftspalt erzeugt,
das in bezug auf eine der Zeigerstellung beim Sollwert der Regelgröße zugeordnete
Symmetrieebene auf beiden Seiten gleich stark ist, aber entgegengesetztes Vorzeichen
hat. Das magnetische Kraftlinienbild im Luftspalt ist in Abb. z gezeichnet, und
zwar in dem Augenblick, in dem der Strom in der Mitte nach hinten fließt. Wie man
sieht, ist im allgemeinen das Magnetfeld senkrecht zum Luftspalt gerichtet; nur'in
der Syrpmetrieebene und in ihrer Nähe verläuft es schräg und zum Teil parallel zum
Luftspalt.
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An dem Zeiger e ist nun eine magnetische Sonde befestigt, die bei
der Bewegung des Zeigers dieses Magnetfeld abtastet. Diese Sonde besteht aus einer
kleinen flachen, vorzugsweise rechteckigen Spule f, deren Ebene parallel zu den
Wänden des Luftspalts angeordnet ist. IfAbb. Z, die einen'Querschnitt darstellt,
ist diese Spule durch ihre Wicklungsquerschnitte f1 und f2 dargestellt.
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Die in der Sondenspule induzierte EMK ist proportional dem magnetischen
Fluß, der sie durchsetzt. Dieser aber ist gegeben durch das Flächenintegral der
magnetischen Feldstärke beziehungsweise Induktion über die gesamte Spulenfläche.
Da die Spulenehene parallel zum Luftspalt verläuft, kommt für die Bildung des magnetischen
Flusses nur die senkrecht zum Luftspalt gerichtete Komponente der magnetischen Induktion
in Betracht. Der Verlauf dieser Komponente im Luftspalt ist in Abb.3 gezeichnet.
In der Symmetrieebene ist sie Null und wächst nach beiden Seiten an.
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Befindet sich die Sondenspule weit außerhalb, beispielsweise links
von der Symmetrieebene (mit anderen Worten: Ist der Zeiger noch weit von seiner
dem Sollwert der Regelgröße entsprechenden Stellung entfernt), dann wird sie vollständig
von dem starken Magnetfeld durchsetzt und liefert eine relativ hohe induzierte EMK.
Nähert sich die Spule der Symmetrieebene beziehungsweise der Zeiger seiner »Sollwert«-Stellung,
dann verringert sich die aktive Komponente des Magnetfeldes und damit die in der
Spule induzierte EMK. Gelangt die eine Seite der Prüfspule ein Stück über die Symmetrieebene
hinaus, dann wird die Spule teilweise von dem entgegengesetzt gerichteten Magnetfeld
durchsetzt, und die induzierte EMK wird dadurch stark vermindert. Befindet sich
die Spulenmitte genau in der Symmetrieebene, das heißt, zeigt der Zeiger genau auf
den Sollwert der Regelgröße, dann heben sich die die Spule durchsetzenden Felder
rechts und links der Symmetrieebene gerade auf; die induzierte EMK ist Null. Bei
weiterer Bewegung des Zeigers beziehungsweise der Spule nach rechts überwiegt nun
zur Bildung des Flusses das Magnetfeld auf der rechten Seite der Symmetrieebene,
so daß eine kleine Steuer-EMK mit umgekehrtemVorzeichen entsteht. Diese EMK ist
um so größer, je weiter rechts sich die Spule von der Sy mmetriecbene befindet,
und nähert sich schließlich einem Grenzwert. Der Verlauf der Steuer-EMK ist ähnlich
dem in Abb. 3 gezeichneten Verlauf der aktiven Komponente der Feldstärke.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung erhält man also an den Klemmen
der Sondenspule eine Steuerspannung, die in der Nähe des Sollwerts nach Betrag und
Vorzeichen proportional der Abweichung der Zeigerstellung von der »Sollwert«-Stellung
ist. Bei der normalen Betriebsfrequenz von 5o Hz läßt sich mit geringem technischem
Aufwand eine Steuerspannung von o, l V erzielen, bei höheren Frequenzen entsprechend
mehr.
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Damit die Sondenspule keine Rückwirkung auf das Magnetfeld hat, die
mit einer mechanischen Kraft auf die Spule verknüpft wäre, muß die Spule stromlos
sein, also im Leerlauf betrieben werden. Dies ist erfüllt, wenn sie an das Gitter
einer Verstärkerröhre g gelegt wird, die, beispielsweise mittels Widerstandsverstärkung,
ein Endrohr i, vorzugsweise eineEndpentode, voll aussteuert(Abb.4). Im Anodenkreis
der Endröhre liegt entweder direkt oder über einen Anpassungstransformator die eine
Wicklung m eines Ferrarismotors k, der den Regelmechanismus betätigt.
Die andere Wicklung n des Motors ist entweder unmittelbar oder über einen Phasenschieber
o an die Spannungsquelle S der Drosselspule angeschlossen.
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Damit der Motor ein möglichst großes Drehmomententwickelt, müssen
die Ströme in den Wicklungen m und n. um 9o° phasenverschoben sein. Dies
ist schaltungsmäßig automatisch erfüllt, wenn der indrzktive Widerstand der Drossel
groß ist gegen den Ohmschen Widerstand. Bei räumlich so kleinen Drosselspulen, wie
sie hier verwendet werden sollen, läßt sich aber diese Bedingung nicht erfüllen,
jedenfalls nicht bei 5o Hz Betriebsfrequenz. Dadurch ergibt sich ein Phasenfehler,
der durch den Phasendreher o kompensiert werden kann. Dabei ist zu beachten, daß
sich Phasenfehler bis zu 30° im Drehmoment kaum merklich auswirken.
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Um die Rückwirkung der Sondenspule auf das Magnetfeld vernachlässigbar
klein zu halten, ist kein vollkommener Leerlauf erforderlich. Es genügt, wenn der
äußere (induktive) Widerstand groß ist gegen den inneren. Man kann daher die Sondenspule
beispielsweise an die Primärwicklungp eines Transformators r anschließen, deren
induktiver Widerstand etwa zehnmal so groß ist wie der der Sondenspule (Abb. 5).
Dies ergibt immer noch eine räumlich kleine Primärwicklung, insbesondere bei Verwendung
einer hochpermeablen Eisenlegierung, so daß die Sekundärwicklung q mit etwa hundertfacher
Winidungszahl ausgeführt werden kann. An den Klemmen der Sekundärwicklung erhält
man auf diese Weise eine genügend große Steuerspannung, so daß man damit unmittelbar
das Endrohr aussteuern kann. An die Stelle der Verstärkerröhre g
in
Abb. d ist jetzt einfach der Transformator r getreten.
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Durch Verwendung einer hohen Betriebsfrequenz (über iooo Hz) kann
man aber auch direkt so hohe Steuerspannungen aus der Sondenspule entnehmen, daß
der Transformator r beziehungsweise die Verstärkerröhre g überflüssig sind.
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Zur Einstellung des Sollwerts wird erfindungsgemäß die Drosselspule
tun die Instrumentendrehachse schwenkbar angeordnet.