DE1011633B

DE1011633B - Selbstabgleichende Messanordnung

Info

Publication number: DE1011633B
Application number: DEN10003A
Authority: DE
Inventors: Hermanus Joannes Roosdorp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1954-01-04
Filing date: 1954-12-31
Publication date: 1957-07-04
Also published as: FR1118845A; GB781785A

Description

DEUTSCHES

KL.42d

INTERNAT. KL. G Ol d

PATENTAMT

N10003IX / 42 d ANMELDETAG: 31. DEZEMBER 1954

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUS LE GE S CHRIFT: 4. J U L I 1 9 5 7

Selbstabgleichende Meßanordnung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 4. Januar 1954

Hermanus Joannes Roosdorp, Eindhoven

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Zur Messung physikalischer Größen, z. B. von Drücken, Temperaturen, elektrischen Spannungen usw., ist es bekannt, selbstabgleiehende Meßschaltungen zu verwenden, bei denen eine von der zu messenden Größe abgeleitete Spannung mit einer bekannten, veränderbaren Spannung ins Gleichgewicht gebracht wird. Dabei wird oft eine Anzahl von in einer Wheatstoneschen Brücke zusammengefügten Impedanzen, insbesondere Wirkwiderständen, benutzt, von denen mindestens eine durch die zu messende Größe beeinflußt wird. Die Speisung der Brücke erfolgt mit konstanter Spannung, die an eine der Diagonalen angelegt wird. An der anderen Diagonale tritt eine Brückenspannung auf, die von der zu messenden Größe abhängig ist. Diese Spannung wird einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangskreis ein Einstellorgan steuert, durch das die Brückenspannung ausgeglichen wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß zwei in Reihe an die Speisespannungsquelle der Brücke angeschlossene Brückenzweige einen Spannungsteiler bilden, an dem ein Schiebekontakt entlang gleitet, dem

die dem Verstärker zugeführte Spannung entnommen «

wird. Der Schiebekontakt wird durch das Einstellorgan angetrieben, und seine Stellung am Spannungs- Widerstand 3 ist unter dem Einfluß der veränder teiler gibt ein Maß für die zu messende Größe an. Es 25 liehen, zu messenden und aufzuzeichnenden Größe verist auch möglich, die Brückenspannung mittels einer änderbar.

zweiten, an dieselbe Speisespannungsquelle an- Wenn diese Große z. B. die Temperatur eines

geschlossenen Brückenschaltung auszugleichen, der Raumes ist, die konstant gehalten werden soll, so mittels des Einstellorgans eine veränderbare Span- kann der Widerstand 3 ein Widerstandsthermometer

30 sein, daß in oder nahe dem betreffenden Raum angeordnet ist. Es hat einen verhältnismäßig hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Es kann auch ein Thermoelement verwendet werden, dessen elektromotorische Kraft im Kreis mit einer konauch aufgezeichnet werden soll, da zum Antreiben des 35 stanten Spannung verglichen wird. Die Brücken-Aufzeichenorgans eine Quelle praktisch unbeschränk- schaltung ist für die Erfindung nicht wesentlich. Es

kann auch ein Kreis verwendet werden, in den zwei Impedanzen in Reihe eingeschaltet sind und in welchem an einer Impedanz die zu messende Spannung und an der anderen Impedanz die bekannte Spannung liegt. Die letztere wird derart eingestellt, daß die Gesamtspannung im Kreise gleich Null ist.

Wenn eine mechanische Spannung gemessen werden soll, kann einer der Widerstände 2 bzw. 3 oder beide eine Spannung gesteuert, die nahezu proportional dem 45 als sogenannte Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sein, Unterschied zwischen dem in einem Augenblick ge- die an dem Bauteil befestigt sind, dessen Spannung messenen Wert der Größe und dem gewünschten Wert
der Größe ist. Eine solche bekannte Einrichtung ist
in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt.

Hier bezeichnet 1 eine Wechselspannungsquelle mit konstanter Spannung, die eine Brückenschaltung

nung entnommen wird. Auch in diesem Falle bestimmt die Stellung des Einstellorgans den Wert der zu messenden Größe. Es handelt sich hier um sogenannte Nullmethoden, die insbesondere dann nützlich sind, wenn dieGröße nicht nur angezeigt, sondern

ter Leistung zur Verfügung steht. Das Einstellorgan wird im allgemeinen durch einen Motor angetrieben, der stillsteht, sobald die im Abgleichkreis auftretende Gesamtspannung gleich Null ist.

Es ist auch bekannt, bei solchen Meßbrückenschaltungen eine Einrichtung vorzusehen, durch die eine Regelung der gemessenen oder aufgezeichneten Größe erzielt wird. Diese Regeleinrichtung wird durch

speist, die aus den in Reihe geschalteten Widerständen 2 und 3 und dem zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten Spannungsteiler 4 besteht. Der gemessen werden soll. Der Widerstandswert dieser Streifen ist in erster Linie von der mechanischen Spannung im Widerstandsmaterial abhängig.

Die zwischen dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 2 und 3 und dem Schiebekontakt 5 liegende Brückendiagonale bildet den Eingangskreis eines Verstärkers 6 mit mindestens einer Entladungsröhre, dessen Ausgangskreis an einen phasenempfindlichen

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Motor 7 angeschlossen ist. Dieser Motor nimmt beim Drehen den Schiebekontakt 5 in einem solchen Sinne mit, daß das durch die Änderung z. B. des Widerstandes 3 gestörte Brückengleichgewicht wieder hergestellt wird. Sobald dies der Fall ist, bleibt der Motor stehen. Die mechanische Kupplung zwischen dem Motor und dem Schiebekontakt ist in Fig. durch die gestrichelten Linien 14 und 15 angedeutet. Längs des Spannungsteilers 4 kann eine Skalen-

feinem vorgegebenen Sollwert der Größe proportional ist, wird erfindungsgemäß diese Steuerspannung für die Regeleinrichtung in demselben Verstärker wie die Meßspannung verstärkt, und es ist eine Umschalt-Vorrichtung angeordnet, mittels welcher abwechselnd die Meßspannung und die Steuerspannung für die Regeleinrichtung in dem Verstärkereingang wirksam werden, und gleichzeitig ist die Ausgangs spannung des Verstärkers derart umschaltbar, daß im gleichen

, tg

wenden, durch die der Motor abwechselnd das eine _und das andere Organ-betätigt.

Dj_e Erfindung ist an Hand des Schaltbildes nach pjg. 2 erläutert. Dabei sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet.

Die Einrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß nur ein einziger Verstärker 6 nebst zwei miteinander gekuppelten Umhl F

für ein Heizelement im Raum regelt. Die Einstellung ist derart, daß bei zu niedriger Temperatur des Raums die Energiezufuhr vergrößert und bei zu hoher

einteilung vorgesehen werden; die Stellung des Kon- _i0 Takt abwechselnd die Kompensationsvorrichtung und takts 5 ist ein Maß für die zu messende Größe. die Regelvorrichtung beeinflußt werden.

Zur Regelung der Größe auf einen vorbestimmten Bei einer sogenannten integralen Regelung ist die

Wert, ist der Schiebekontakt 5 mechanisch mit dem Einrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Schiebekontakt 8 eines zweiten Spannungsteilers 9 Periode, während der das Abgleichorgan wirksam ist, derart gekuppelt, daß die Schiebekontakte 5 und 8 sich i₅ groß ist gegenüber der Periode, während der die gegenüber den zugehörigen Widerständen stets in der- Regelvorrichtung wirksam ist.

selben Lage befinden. Der Spannungsteiler 9 ist an Ein Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung ist

eine Wechselspannungsquelle 10 mit derselben Fre- der, daß nur ein einziger Verstärker benötigt wird, der quenz und Phase wie die Quelle 1 angeschlossen. abwechselnd die Funktion eines Meßverstärkers und

Der Widerstand 9 ist weiter mit einem Kontakt 18 ₂₀ die eines Regelverstärkers erfüllt. Es können zwei Anversehen, der beim Betrieb eine feste Lage hat, die. triebsorgane, z. B. Motoren, verwendet werden, von von dem gewünschten Wert der Größe abhängig ist. denen eines zum Abgleichen und das andere zur Rege-Bei entsprechender Einstellung ist also die Spannung i_ung dient. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, zwischen den Kontakten 8 und 18 für den Unterschied wenn beide Funktionen durch einen einzigen Motor zwischen dem gewünschten und dem gemessenen Wert ²5 ausgeübt werden. In diesem Falle ist es jedoch erforder zu regelnden Größe maßgebend. Diese Spannung derlich, eine mechanische Umschaltvorrichtung anzuwird dem Eingangskreis eines zweiten Verstärkers 11
zugeführt, dessen Ausgangsstrom die Regelvorrichtung steuert. Dies kann z. B. mittels eines von dem
Ausgangsstrom angetriebenen, phasenempfindlichen ₃₀
Motors 12 durchgeführt werden, der durch eine
mechanische Übertragung 16 auf eine Drosselklappe 13
einwirkt. Der Motor 12 kann durch eine Relaisvorrichtung ersetzt werden; anstatt einer Drosselklappe kann ein anderes Organ verwendet werden, ₃₅ schaltern 19 und 20 vorgesehen ist. In der in der Figur z. B. ein regelbarer Widerstand, der die Energiezufuhr dargestellten Lage dieser Umschalter wird die

Brückenspannung dem Verstärker 6 zugeführt, dessen Ausgangsspannung den.Motor 7 beeinflußt. Die Einrichtung führt dann eine Messung durch. In der anTemperatur verringert wird. Bei Erreichen der ge- ₄₀ deren Lage der Umschalter liegt die dem Spannungswünschten Temperatur an der Meß stelle befinden sich teiler 9 entnommene Spannung am Eingangskreis des die Kontakte 8 und 18 an derselben Stelle des Widerstands 9, so daß am Verstärker 11 keine Eingangsspannung liegt und der Motor 12 stillsteht.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß es zum Erzielen einer guten Messung und Regelung nicht erforderlich ist, daß die den Spannungsteilern 4 und 9 entnommenen Spannungen dauernd an den Eingangskreisen der Verstärker 6 und 11

liegen. Insbesondere wenn sich die die zu regelnde 50 integrierende Regelung. Die Integration "kann dabei Größe beeinflussenden Umstände nur langsam ändern, _auf verschiedene Weise - stattfinden, unter anderem in welchem- Falle vorzugsweise eine sogenannte inte- mittels eines Motors, dessen Drehzahl proportional grale Regelung benutzt wird, genügt es, wenn die _mi_t der Klemmenspannung ist, wie z. B. bei Kilowatt-Spannung zwischen den Kontakten 8 und 18 periodisch stundenzählern. Es können auch Induktionsmotoren nur während kurzer Augenblicke die Regelvorrichtung 55 verwendet werden, deren Drehzahl durch Gegenkoppsteuert. Diese Einsicht wird gemäß der Erfindung \_nng _m[_t einem mit dem Motor zusammengebauten dazu benutzt, die Regelapparatur wesentlich zu vereinfachen.

Bei einer selbstabgleichenden Meßanordnung, bei der eine von der zu messenden physikalischen Größe abgeleitete elektrische Spannung dadurch in einem Abgleichkreis durch eine Kompensationsspannung abgeglichen wird, daß die. Meß spannung einem Verstärker zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung ein

Organ steuert, welches die Einstellung der Kompen- 65 anordnung nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, sationsspannung bewirkt und gleichzeitig die Anzeige Die Einrichtung enthält ähnliche Einzelteile wie die bzw. Aufzeichnung dex Meßspannung vermittelt, und nach Fig. 2, aber außerdem Schaltelemente, durch die bei welcher weiterhin eine Regelvorrichtung an- eine sogenannte Proportionalregelung bewirkt wirkt, geordnet ist, welche durch eine Spannung gesteuert . Diese Elemente bestehen aus einem Spannungsteiler wird, die den Unterschied der gemessenen Größe zu 70 21, einem zu diesem parallel geschalteten Spannungs- :

Verstärkers 6, und der Ausgangskreis ist an den Motor 12 angeschlossen. Es wird dann eine Regelung durchgeführt.

Die Schalter können mechanisch oder elektrisch betätigt werden. Die Einrichtung ist derart, daß die Messung jeweils nur während kurzer Zeit unterbrochen wird, z. B. 1 Sekunde lang in jeder Minute. Während dieser Sekunde vollzieht sich jeweils eine

Tachometergenerator linear abhängig von einer Spannung gemacht wird. Im letzteren Falle wird auf den Verstärker zurückgekoppelt.

Die Diskontinuität der integralen Regelung übt z.B. bei den meisten thermischen Vorgängen keinen Einfluß auf das Ergebnis aus und ebensowenig die kurzzeitige Unterbrechung der Mesung.

Ein vollständigeres Schaltbild einer Schaltungs-

1 Oil

teiler 24, einer Spannungsquelle 23, einem Verstärker 26 und einem Antriebsmotor 27 für das Regelorgan 13. Die Spannungsquelle 23 hat gleiche Frequenz und Phase wie die Spannungsquellen 1 und 10, ist aber im übrigen von diesen unabhängig. Der Schiebekontakt 22 des Spannungsteilers 21 ist elektrisch mit dem Schiebekontakt 18 verbunden. Die Eingangsspannung für den Verstärker 26 wird zwischen dem Kontakt 8 und dem Kontakt 25 des Spannungsteilers 24 entnommen. Das Regelorgan 13 ist mechanisch mit dem Kontakt 25 gekuppelt.

Wenn zunächst angenommen wird, daß der Kontakt 22 eine feste Lage hat, so beginnt beim Eintreten einer Gleichgewichtsstörung in der Brücke 2, 3, 4 infolge einer Änderung der zu regelnden Größe bei der in der Zeichnung dargestellten Lage der Schalter 19 und 20., wie vorstehend geschildert, der Motor 7 zu laufen, wodurch der Kontakt 5 in einem solchen Sinne verschoben wird, daß das Brückengleichgewicht wieder hergestellt wird. An den Eingangsklemmen des Verstärkers 26 trit eine Spannung auf, die dem Kontakt 8, dessen Stellung den gemessenen Wert der Größe angibt, und dem Kontakt 18 entnommen wird, der den gewünschten Wert der Meßgröße angibt. Ist weiter die an die Quelle 23 angeschlossene Brückenschaltung, die aus den Spannungsteilern 21 und 24 besteht, im Gleichgewicht, so ist die Spannung zwischen den Kontakten 22 und 25 gleich Null. Der Motor 27 wird dann unter der Wirkung der Abweichung des gemessenen Wertes von dem gewünschten Wert betätigt und steuert das Regelorgan 13 derart, daß die Abweichung verkleinert wird. Wenn die Abweichung gleich Null geworden ist, kommt der Motor zum Stillstand. Dabei hat das Regelorgan den Schiebekontakt 25 verschoben, wodurch eine zusätzliche Spannung im Eingangskreis des Verstärkers 26 wirksam wird, welche der Spannung zwischen den Kontakten 8 und 18 entgegenwirkt. Das Regelorgan wird also nur so weit verschoben, bis diese zwei Spannungen im Eingangskreis des Verstärkers 26 im Gleichgewicht sind, mit anderen Worten, über einen Abstand, der proportional der Abweichung des eingestellten Wertes von dem gewünschten Wert ist. Dies ist eine sogenannte Proportionalregelung.

Nach einer Zeit gelangen die Schalter 19 und 20 in die untere Lage, wodurch die Differenzspannung zwischen den Punkten 8 und 18 dem Eingangskreis des Verstärkers 6 zugeführt und der Motor 12 an dessen Ausgangskreis angeschlossen wird. Wenn die Differenzspannung nicht gleich Null ist, läuft der Motor an, wobei eine zweite Regelwirkung eintritt. Der Motor 12 wird dabei vorzugsweise derart bemessen, daß seine Drehzahl proportional der Klemmenspannung ist. Dabei wird der Schiebekontakt 22 des Spannungsteilers 21 derart verschoben, daß dem Eingangskreis des Verstärkers 26 eine zusätzliche Spannung zugeführt wird. Es leuchtet ein, daß auf diese Weise eine Regelung erzielt wird, bei der die Verschiebung des Regelorgans entsprechend der Abweichung der Größe von dem gewünschten Wert ist, der in der Zeit während einer gewissen Periode integriert ist. Dies ist also eine kombinierte Proportional- und Integralregelung, wobei die Integralregelung während kurzer Perioden vollzogen wird.

Für die Integralregelung und die Messung kann ein einziger Motor verwendet werden. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, eine mechanische Umschaltung anzuwenden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Der Motor steuert abwechselnd die Kontakte 5 und 8 über ein schematisch dargestelltes Organ 30 und den Kontakt über ein Organ 31. Die Umschaltung erfolgt auf ähnliche Weise wie bei den Schaltern 19 und 20.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Selbstabgleichende Meßanordnung, bei der eine von der zu messenden physikalischen Größe abgeleitete elektrische Spannung dadurch in einem Abgleichkreis durch eine Kompensationsspannung abgeglichen wird, daß die Meßspannung einem Verstärker zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung ein Organ steuert, welches die Einstellung der Kompensationsspannung bewirkt und gleichzeitig die Anzeige bzw. Aufzeichnung der Meßspannung vermittelt, und bei welcher weiterhin eine Regelvorrichtung angeordnet ist, welche durch eine Spannung gesteuert wird, die dem Unterschied der gemessenen Größe zu einem vorgegebenen Sollwert der Größe proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuerspannung für die Regeleinrichtung in demselben Verstärker wie die Meßspannung verstärkt wird und daß eine Umschaltvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher abwechselnd die Meßspannung und die Steuerspannung für die Regeleinrichtung in dem Verstärkereingang wirksam werden, und daß gleichzeitig die Ausgangsspannung des Verstärkers derart umschaltbar ist, daß im gleichen Takt abwechselnd die Kompensationsvorrichtung und die Regelvorrichtung beeinflußt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode während der das Abgleichorgan tätig ist, groß ist gegenüber der Periode, während der die Regeleinrichtung betätigt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antriebsorgane angeordnet sind, von denen eines das Abgleichorgan und das andere die Regeleinrichtung betätigt, und daß mittels der Umschalteinrichtung zugleich abwechselnd das eine und das andere Antriebsorgan an den Ausgangskreis des Verstärkers anschließbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein einziges Antriebsorgan zugleich für die Abgleichvorrichtung und für die Regelvorrichtung sowie durch eine mechanische Umschaltvorrichtung, durch welche dieses Antriebsorgan abwechselnd mit dem Abgleichorgan und dem Regelorgan gekuppelt wird.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte Proportional- und Integralregelung erfolgt und daß dabei das Regelorgan für die Integralregelung periodisch betätigt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 693 699.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen