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" Verfahren und Anordnung zur Regelung der Licht-
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bogenlänge beim Vakuumlichtbogenschmelzen und der Eintauchtiefe beim
Elektroschlacke-Umschmelzen von Abschmelzelektroden in elektrometallurgischen Ofen
" Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der Lichtbogenlänge
beim Vakuumlichtbogenschmelzen und der Eintauchtiefe beim Elektroschlacke-Umschmelzen
von Abschmelzelektroden in elektrometallurgischen Ofen unter laufender Bestimmung
der Abschmelzrate, Vergleich mit einem Abschmelzraten-Sollwert und Regelung der
zugeführten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der
Abschmelzrate und deren Sollwert, sowie unter laufender Bestimmung der elektrischen
Schmelzdaten zwischen der Abschmelzelektrode und ihrem Gegenpol, Vergleich mit einem
Schmelzdaten-Sollwert
und Regelung der Vorschubgeschwindig keit der Abschmelzelektrode mittels eines Geschwindigkeitsreglers
und eines Elektrodenantriebs in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den elektrischen
Schmelzdaten und deren Sollwert.
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Lichtbogenlänge und Eintauchtiefe sind beim Vakuumlichtbogenschmelzen
bzw. beim Elektroschlacke-Umschmelzen kritische Daten, die für den Umschmelzprozeß
und letztendlich für die Qualität des durch den Umschmelzprozeß erzeugten Blocks
von ausschlaggebender Bedeutung sind. Es hat daher in der Vergangenheit nicht an
Versuchen gefehlt, Verfahren und Anordnungen zur Regelung der genannten Größen zu
entwickeln, um den Schmelzprozeß einwandfrei automatisieren zu können.
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Obwohl bereits einige durchaus brauchbare Regelsysteme bekannt geworden
sind, werden immer wieder Verbesserungen angestrebt, um dem Idealfall möglichst
nahe zu kommen. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten haben ihre Ursache darin,
daß die betreffenden Regelgrößen einer direkten Messung nicht zugänglich sind, so
daß nur der Umweg über eine indirekte Erfassung der Regelgrößen bleibt, wobei eine
Proportionalität zwischen den Meßwerten und der eigentlichen Regelgröße nur angenähert
unterstellt werden kann.
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Durch die DE-AS 19 34 218 ist die Regelung des Abschmelzvorgangs von
selbstverzehrenden Elektroden in metallurgischen Ofen gemäß dem eingangs beschriebenen
Verfahren bekannt.
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Die Regelung geschieht jedoch mittels zweier voneinander getrennter
Regelkreise. In einem ersten Regelkreis wird die
Abschmelzrate durch
Beeinflussung der elektrischen Leistung in Richtung auf einen vorgegebenen Abschmelzraten-Sollwert
geregelt. In einem zweiten Regelkreis wird die Vorschubgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode
in Abhängigkeit von den elektrischen Schmelzdaten zwischen der Abschmelzelektrode
und ihrem Gegenpol in Richtung auf einen vorgegebenen Schmelzdaten-Sollwert geregelt.
Die Regelkreise sind jedoch voneinander getrennt, so daß die einzelnen Meßwerte
mit ihrem vollen Betrag in die betreffende Stellgröße eingehen.
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Problematisch ist beim Stande der Technik insbesondere derjenige Regelkreis
mit der Vorschubregelung der Abschmelzelektrode, da die Verstellgeschwindigkeit
der Elektrode jeweils sofort die Bogenlänge bzw. die Eintauchtiefe beeinflußt. Dies
führt aufgrund unvermeidbarer Instabilitäten in den elektrischen Schmelzdaten der
Strecke zwischen Abschmelzelektrode und Gegenpol zu einem unruhigen Regelverhalten,
zumal Meßsignale mit unterschiedlichen Vorzeichen auftreten, obwohl es an sich wünschenswert
wäre, die Regelung gleichsinnig fortzusetzen. Eine der Hauptursachen hierfür sind
bei Vakuum-Lichtbogenöfen sogenannte Gas ausbrüche aus dem Elektrodenmaterial. Beim
Elektroschlacke-Umschmelzen treten Instabilitäten durch eine zeitliche Anderung
des Leitwerts der Schlacke, durch Nachchargierung kalter Schlacke sowie durch einen
Elektrodenwechsel auf. Die genannten Instabilitäten haben unvermeidbar einen Einfluß
auf die elektrischen Daten zwischen der Abschmelzelektrode und ihrem Gegenpol, welche
den Umschmelzvorgang unmittelbar beeinflussen
und daher als Schmelzdaten
bezeichnet werden.
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Bei den Schmelzdaten handelt es sich um Spannung und Stromstarker
die zusammen die elektrische Schmelzleistung ergenen, wobei die Schmelzleistung
in der Strecke zwischen Abschmelzelektrode und Gegenpol jedoch keineswegs homogen
verteilt ist. Da die elektrischen Schmelzdaten zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit
erfaßt werden, wirken sich die genannten Instabilitäten in Richtung auf ein unruhiges
Regelverhalten aus, welches der Forderung nach einem möglichst gleichförmig ablaufenden
Umschmelzvorgang entgegensteht.
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Der Gegenpol ist in Vakuumlichtbogenöfen der unterhalb ar Abschmelzelektrode
angeordnete Schmelzsee, wobei der Lichtbogen zwischen der Abschmelzelektrode und
dem Schmelzsee brennt und an dieser Stelle die erforderliche Schmelzwärme erzeugt.
Beim Elektroschlacke-Umschmelzen ist der Gegenpol die auf hoher Temperatur befindliche
geschmolzene Schlacke, in welche die Abschmelzelektrode um ein definiertes Maß eintaucht,
so daß Lichtbögen in aller Regel v~-mieden werden. Ein weiterer Gegenpol ist auch
in diesem Fall der unterhalb der Schlacke befindliche metailisc,e Schmelzsee, wobei
die Heizleistung primär in der Schlacke wegen ihres =en Widerstandes erzeugt wird.
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Der Erfindung liegt daher sie Aufgabe zugrunde, ein Regel-3erfahren
der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem
die von Instabilitäten
überlagerten elektrischen Schmelzdaten zu Regelzwecken zwar erfaßt werden, aber
trotzdem nicht zu einem instabilen bzw. unruhigen Regelverhalten führen. Gleichzeitig
soll dabei natürlich die dem Ofen zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit
von der Abschmelzrate geregelt werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, neben einer Regelung der Zufuhr an Schmelzenergie den Abstand der Elektrode
zum Schmelzsee (bei Vakuumlichtbogenöfen) bzw. die Eintauchtiefe der Elektrode in
die flüssige Schlacke (beim Elektroschlacke-Umschmelzen) einzuhalten.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß a) ein der Abschmelzrate proportionales Signal
als übergeordneter Sollwert dem Geschwindigkeitsregler zugeführt wird, b) ein der
Differenz zwischen den elektrischen Schmelzdaten und deren Sollwert proportionales
Signal als relativ untergeordnetes Korrektursignal zusammen mit dem übergeordneten
Sollwert dem Geschwindigkeitsregler zugeführt wird und c) dem Geschwindigkeitsregler
zusätzlich zum Regelsignal und zum Korrektursignal ein der Drehzahl des Elektrodenantriebs
proportionales Drehzahlsignal subtraktiv zugeführt wird.
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Der Erfindungsgegenstand besteht somit im Prinzip aus einer Verknüpfung
der bekannten getrennten Regelkreise für die
elektrische Leistung
und den Elektrodenvorschub bei gleichzeitiger unterschiedlicher Gewichtung der einzelnen
Meß-und Regelsignale. Dabei wird die Schmelzratenerfassung, die bisher nur zur Leistungsregelung
verwendet wurde, gleichzeitig auch zur Beeinflussung der Elektrodenvorschubregelung
(Geschwindigkeit) eingesetzt, wobei gleichzeitig der Einfluß der aus den elektrischen
Schmelzdaten gewonnenen Meßwerte, die gleichfalls einen Einfluß auf den Geschwindigkeitsregler
haben, anteilig bzw. relativ zurückgedrängt, d.h. zu einem Korrektursignal für das
der Abschmelzrate proportionale Signal gemacht wird.
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Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung zugrunde, daß das
der Abschmelzrate proportionale Signal aufgrund einer wesentlich größeren Gleichförmigkeit
hervorragend dazu geeignet ist, dem Geschwindigkeitsregler als übergeordneter Sollwert,
d.h. als sogenanntes Basissignal aufge schaltet zu werden. Die Abschmelzrate ist
dabei nämlich weitgehend unbeeinflußt von irgendwelchen Instabilitäten der elektrischen
Schmelzdaten zwischen Elektrode und Gegenpol.
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übergeordnet bedeutet dabei eine anteilige Bewertung zu mehr als 50%,
vorzugsweise zu mehr als 70%. "Untergeordnet" bedeutet dabei für das Korrektursignal
eine anteilige Bewertung von weniger als 50%, vorzugsweise sogar von weniger als
302. Dadurch wirken sich die genannten Instabilitäten nur mit einem Bruchteil ihrer
relativen Schwankungsbreite auf das gesamte Regelverhalten aus, ohne jedoch vollständig
vernachlässigt zu werden, was wiederum zu unkontrollierten Veränderungen der Bogenlänge
bzw. der Eintauchtiefe führen würde.
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Das beim gattungsgemäßen Verfahren ohnehin ermittelte Signal für die
Abschmelzrate wird dabei zweimal ausgewertet, nämlich einmal für die Energiedosierung
und zum anderen für die Regelung der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit.
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Der Erfindungsgegenstand geht dabei von der in erster Näherung zulässigen
Uberlegung aus, daß Abschmelzelektroden mit einer idealen Beschaffenheit hinsichtlich
der Dichte und der Geometrie verwendet werden. Hierbei haben die Elektroden die
Form mathematischer Zylinder mit vollständig homogener Dichteverteilung. In einem
solchen Fall ist nämlich der Zusammenhang zwischen der Abschmelzrate, d.h.
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der Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit, und der Vorschubgeschwindigkeit
absolut linear. Es hat sich jedoch gezeigt, daß selbst geringfügige Abweichungen
von diesem Idealzustand der Elektroden keinen störenden Einfluß auf das Umschmelzverfahren
haben, da ganz offensichtlich die große Gleichförmigkeit der Abschmelzrate zeitlich
begrenzte störende Einflüsse überwiegt, bzw. kompensiert.
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Die mit den heutigen Fertigungsverfahren herstellbaren Elektroden,
seien es gegossene Elektroden oder seien es aus Schwamm gepreßte Elektroden haben
jedoch sehr weitgehend eine ideale Beschaffenheit.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die weiter oben
beschriebenen Instabilitäten hinsichtlich ihres Einflusses auf das Regelverhalten
praktisch
vollständig unterdrückt, insbesondere haben die unvermeidbaren
Gasausbrüche beim Vakuum-Lichtbogenschmelzen keinen störenden Einfluß auf das Regelverhalten.
Der Umschmelzvorgang verläuft auBerordentlich gleichförmig, was sich in gleichförmigen
Kristallisationsbedingungen bei dem im Aufbau befindlichen Block äußert. Gleichförmige
Kristallisationsbedingungen am Block sind aber unverzichtbare Voraussetzungen für
ideale Blockeigenschaften bei dessen Weiterverarbeitung und bei seinem endgültigen
Einsatz.
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änderungen des Leitwerts der geschmolzenen Schlacke, das Nachchargieren
kalter Schlacke, sowie ein etwaiger Elektrodenwechsel beim Umschmelzen von mehreren
Abschmelzelektroden zu einem Block haben einen weitaus geringeren Einfluß auf den
Umschmelzvorgang als ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme. Zwar muß bei
einem Elektrodenwechsel der Regelvorgang bezüglich der betreffenden Elektrode unterbrochen
werden, jedoch läßt sich die Fortsetzung des Umschmelzverfahrens nach dem Einsetzen
einer neuen Elektrode sehr viel leichter wieder anknüpfen als bei einer starken
Bewertung der elektrischen Schmelzdaten zwischen Elektrode und Gegenpol, die sich
nach einem Elektrodenwechsel grundlegend verändert haben.
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Als der Abschmelzrate proportionales Signal kann dabei in der einfachsten
Form der Abschmelzraten-Sollwert verwendet werden, der beispielsweise durch einen
Funktionsgenerator vorgegeben wird, wie dies in der DE-AS 19 34 218 beschrieben
ist.
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Mit den Querschnittsflächen der Elektrode FE und des Blocks FB sowie
mit dem Schmelzraten-Istwert R und dem mittleren spezifischen Gewicht y der Elektrode
ergibt sich aufgrund des bekannten Zusammenhangs die mittlere Vorschubgeschwindigkeit
der Elektrode zu
Dies gilt bei feststehendem bzw. der Elektrode entgegenwachsendem Block. Bei einer
Blockabsenkung wird die gemessene Blockabzugsgeschwindigkeit vB zusätzlich berücksichtigt.
Die mittlere Elektrodenvorschubgeschwindigkeit ergibt sich alsdann analog zu
Durch die vorstehend genannten Beziehungen läßt sich also unmittelbar die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
vE berechnen.
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Es ist jedoch gemäß der weiteren Erfindung besonders vorteilhaft,
das der Abschmelzrate proportionale Signal aus dem Istwert der Abschmelzrate zu
bestimmen, da diese Bestimmung bei dem gattungsgemäßen Regelverfahren bereits ohnehin
durchgeführt wird. Abweichungen von dem Abschmelzraten-Sollwert sind dabei hinsichtlich
der Regelgenauigkeit vernachlässigbar.
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Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
ist Gegenstand von Anspruch 3.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend
anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild des Regelsystems in Verbindung
mit einem Vakuum-Lichtbogenofen und Figur 2 einen Ausschnitt aus dem zeitlichen
Verlauf der unterschiedlichen Regelsignale.
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In Figur 1 ist ein Vakuum-Lichtbogenofen 1 dargestellt, der aus einem
Ofenoberteil 2 mit einer Saugleitung 3 und einem Ofenunterteil 4 besteht, das als
wassergekühlte Kokille ausgebildet ist. Ein Block 5 ist im Ofenunterteil 4 im Aufbau
begriffen; am oberen Ende befindet sich ein metallischer Schmelzsee 6, der von dem
Material einer Abschmelzelektrode 7 gespeist wird. Die Abschmelzelektrode ist an
einer Elektrodenstange 8 befestigt, die vakuumdicht durch das Ofenoberteil 2 hindurchgeführt
ist und über einen Elektrodenantrieb 9 in Bewegung versetzbar ist.
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Die Elektrodenbewegung erfolgt über ein Seil 10, welches über eine
Gewichtsmesseinrichtung 11 geführt ist, die das jeweilige Ist-Gewicht der Abschmelzelektrode
7 erfaßt.
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Der Ausgang der Gewichtsmesseinrichtung 11 ist über eine Leitung 12
mit einer Recheneinheit 13 verbunden, die aus dem gemessenen Elektrodengewicht die
Abschmelzrate R bestimmt.
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Die Recheneinheit 13 besitzt einen Ausgang 14, der über eine Leitung
15 zu einer Anschlußstelle 16 führt, auf die auch ein erster Sollwertgeber 17 für
die Abschmelzrate aufgeschaltet ist. Der dort erzeugte Abschrnelzraten-Sollwert
entspricht einer vorgegebenen Funktion, wie diese beispielhaft in der DE-AS 19 34
218 beschrieben ist. Von der Anschlußstelle 16 führt eine Leitung 18 zu einem Leistungsregler
19, der eine Stromversorgungseinheit 20 regelt, die über Stromzuführungen 21 und
22 mit dem Ofen 1 verbunden ist und den gesamten Schmelzstrom für den Umschmelzvorgang
liefert. Der Leistungsregler 19 trägt in Verbindung mit der Stromversorgungseinrichtung
20 dafür Sorge, daß der vorgegebene Abschmelzraten-Sollwert über eine Veränderung
der dem Ofen zugeführten Schmelzenergie eingehalten wird.
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Die Anordnung besitzt ferner eine Meßwerterfassungseinrichtung 23,
die über Leitungen 24 und 25 mit den Stromzuführungen 21 und 22 verbunden ist. Auf
diese Weise werden die elektrischen Schmelzdaten zwischen der Abschmelzelektrode
7 und ihrem Gegenpol, dem Schmelzsee 6 erfaßt. Bei den Schmelzdaten handelt es sich
um Grundwerte wie Strorn, Spannung, Impedanz sowie diesen Größen überlagerte impulsförmige
Schwankungen, welche die verschiedensten Ursachen haben können Speziell die impulsförmigen
Schwankungen sind in der Literatur bereits ausführlich beschrieben worden, so daß
sich an dieser Stelle weitere Ausführungen erübrigen.
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Die Meßwertrfassungseinrichtung 23 besitzt einen Ausgang 26, von dem
eine Leitung 27 zu einer Anschlußstelle 28 führt, der ein Ausgang 29 eines zweiten
Sollwertgebers 30 für die elektrischen Schmelzdaten aufgeschaltet ist. Von der Anschlußstelle
28 führt eine Leitung 31 über einen Korrekturgrößenregler 32 zu einer weiteren Anschlußstelle
33. Zu dieser Anschlußstelle führt von dem Ausgang 14 der Recheneinheit 13 über
einen Umschalter 35 und eine weitere Recheneinheit 36 eine Leitung 34, wobei die
Verknüpfung der beiden Regelkreise über die Leitung 34 den erfindungswesentlichen
Teil darstellt. In der Recheneinheit 36 wird gemäß den weiter oben beschriebenen
Beziehungen aus der Abschmelzrate R die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit vE bestimmt.
Die Vorschubgeschwindigkeit vE ist über diese Beziehungen ein der Abschmelzrate
proportionales Signal, welches das sogenannte Basissignal darstellt.
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Der erste Sollwertgeber 17 besitzt einen Ausgang 37, der außer mit
der Anschlußstelle 16 über eine Leitung 3-8 mit dem Umschalter 35 verbunden ist.
Durch Umlegen des Umschalters 35 kann die Recheneinheit 36 wahlweise an den Ausgang
37 des ersten Sollwertgebers 17 angelegt werden. Auf diese Weise ist es möglich,
entweder den Istwert der Abschmelzrate (Leitung 34) oder den Sollwert der Abschmelzrate
(Leitung 38) der Recheneinheit 36 aufzuschalten. Da die Abweichungen zwischen Istwert
und Sollwert in aller Regel gering sind, ist es weitgehend belanglos, welche Schalterstellung
für den Umschalter 35- gewählt wird.
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An der Anschlußstelle 33 werden der übergeordnete Sollwert aus der
Recheneinheit 36 und das relativ untergeordnete Korrektursignal aus dem Korrekturgrößenregler
32 miteinander verknüpft. Das an dessen Ausgang anstehende. Signal ist der Differenz
zwischen den am Ausgang 26 der Meßwerterfassungseinrichtung 23 anstehenden elektrischen
Schmelzdaten und dem am Ausgang 29 des zweiten Sollwertgebers 30 für den Schmelzdaten-Sollwert
proportional.
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Die Anschluß stelle 33 ist über eine weitere Leitung 39 mit einer
Anschlußstelle 40 verbunden, von der eine Leitung 41 zu einem Eingang 42 eines Geschwindigkeitsreglers
43 führt Der Geschwindigkeitsregler 43 ist wiederum über eine Leitung 44 mit dem
Elektrodenantrieb 9.
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verbunden.
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Dem Elektrodenantrieb 9 ist ein Drehzahlmesser 45 in Form eines Tachogenerators
zugeordnet, dessen Ausgang über eine Leitung 46 und die Anschlußstelle 40 zusätzlich
dem Eingang 42 des Geschwindigkeitsreglers 43 aufgeschaltet ist. Die Verknüpfung
an der Anschlußstelle 40 erfolgt dabei subtraktiv, wobei darauf hingewiesen wird,
daß die Rückführung über die Leitung 46 - für sich genommen - Stand der Technik
ist.
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Aufgrund der Verknüpfung des übergeordneten Vorschubsignals und des
untergeordneten Korrektursignals an der Anschlußstelle 33 und der gemeinsamen Aufschaltung
dieser Signale auf den Geschwindigkeitsregler 43 ergibt sich nicht nur
die
bereits beschriebene Verknüpfung der beiden beim Stand der Technik noch getrennten
Regelkreise (stark ausgezogene Leitungen 34 bzw. 38) sondern durch die unterschiedliche
Bewertung der betreffenden Signalanteile erfolgt auch die beschriebene Unterdrückung
der Instabilitäten in den elektrischen Signalen, die in der Meßwerterfassungseinrichtung
23 verarbeitet werden.
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Die Auswirkung dieser Maßnahme ist anhand von Figur 2 dargestellt,
in der über der Zeit (Absizze) die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit vE (ausgezogene
Linie) und die durch das Korrektursignal korrigierte Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
VEkorr (gestrichelte Linie) aufgetragen sind. Es ist erkennbar, daß die Abweichungen
der gestrichelten Linie relativ zu der ausgezogenen Linie nur einen geringen Einfluß
auf die Geschwindigkeitsregelung haben.