DE2322694C3 - Circuit for generating a time-variable comparison voltage as a sliding setpoint in electronic temperature controllers - Google Patents
Circuit for generating a time-variable comparison voltage as a sliding setpoint in electronic temperature controllersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schallung zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Vergleichsspannung als gleitender Sollwert in elektronischen Temperaturreglern für Abkiihlungs- oder Aufheizvorgänge unter Verwendung eines Meßwertgebers für die Ist-Temperatur, vorzugsweise eines Thermoelementes, dessen Spannung mit der Vergleichsspannung verglichen wird.The invention relates to a sound system for generating a time-varying comparison voltage as a sliding setpoint in electronic temperature controllers for cooling or heating processes using a transducer for the actual temperature, preferably a thermocouple, whose voltage is compared with the reference voltage.
Das Aufheizen oder Abkühlen von Öfen, Werkslücken usw. erfolgt in der Praxis zumeist nicht mit linearen Anfheiz- oder Abkühlungsgcschwindigkeiten, sondern folgt in der Regel einem exponentiellen Zeit-Temperatur-Gesctz. Es ist aber auch üblich, nur bestimmte Temperaturbereiche mit linearer Aufhciz-Uml Abkühlungsgeschwindigkeit zu durchlaufen und das Aufheizen oder Abkühlen in den benachbarten Temperaturbereichen nach einem exponentiellen Zeit-Temperatur-Gesetz vorzunehmen.The heating up or cooling down of ovens, gaps in the factory, etc. is usually not carried out in practice linear heating or cooling rates, but usually follows an exponential one Time-temperature law But it is also common to use only certain temperature ranges with a linear Aufhciz-Uml Go through cooling rate and heating or cooling in the neighboring Temperature ranges according to an exponential time-temperature law.
Während der lineare Zeit-Temperaturverlauf z. H. durch die Angabe ° C min ausreichend definiert ist, kann der exponentiell Zeit-Temperaturverlauf durch Angabe der Zeitkonstante τ beschrieben werden. Der Wert der Zeitkonstantc τ in Sekunden besagt, daß nach Ablauf dieser Zeit τ der Ausgangswcrt der Temperatur /ur Zeit i„ im konkreten Fall um den Faktor (),3dH kleiner geworden ist. Nach Ablauf einer Zeitspanne von 2 r ist der Ausgangswert der Temperatur /ur Zeit /„ um den Faktor (),3nK2 kleiner geworden usw.While the linear time-temperature curve z. H. is sufficiently defined by specifying ° C min, the exponential time-temperature curve can be described by specifying the time constant τ. The value of the time constant c τ in seconds means that after this time τ has elapsed, the output value of the temperature / ur time i "in the concrete case has decreased by the factor (), 3dH. After a period of 2 r has elapsed, the initial value of the temperature / ur time / "has decreased by the factor (), 3nK 2 , etc.
Während die Regelung von Aufheiz- oiler Abkühlungsvorgängcn mit linearem Zcit-Temperatur-Vcrlauf in der Praxis zumeist relativ einfach durchgeführt werden kann, bereitet ilie Regelung von solchen Vorgängen, die einem exponenliellen Zeit-Tempcnilur-Gesetz folgen soll, zumeist erhebliche Schwierigkeiten. During the regulation of heating oiler cooling processes with a linear cycle of temperature and temperature, it is usually carried out relatively easily in practice prepares the regulation of such processes, an exponential law of time and temperature should follow, usually considerable difficulties.
Die Regelung von Aufheiz- oder Ahkiihlungsvorgiingen erfolgt im allgemeinen in der Form, daß z. H. die mit einem Thermoelement gemessene Werksiiick- oder Ofen-Ist-Temperatur laufend mit dem vorgegehenen Temperatur-Sollwert verglichen und die Diffe-The regulation of heating or cooling processes generally takes place in the form that, for. H. the factory leakage measured with a thermocouple or the actual furnace temperature is continuously compared with the previous temperature setpoint and the differences
»o renz zwischen Istwert und Sollwert jeweils auf ein Minimum eingeregelt wird.»O rence between actual value and setpoint to a minimum in each case is regulated.
Der Temperaturistwerl wird üblicherweise durch Messung mit einem Thermoelement oder einem damit vergleichbaren Meßwertauf nehmer durchgeführt,The Temperaturistwerl is usually through Measurement carried out with a thermocouple or a comparable transducer,
• 5 wobei als Meßgröße eine elektrische Spannung im allgemeinen in der Größenordnung von mV ai'.fälll. Dementsprechend wird auch als Sollwertgeber eine elektrische Spannungsc|uelle verwendet, die zum Vergleich mit dem Istwert eine Spannung gleicher Gmßenordnung liefert. Diese Spannung regelt man üblicherweise durch Verstellen eines regelbaren Spannungsteilers (Potentiometer) im Sollspannungsslromkreis. Die vom Sollwertgeber abgegebene Spannung wird anschließend dem eigentlichen Regler zugeführt, der laufend den Istwe/ί mit dem Sollwert vergleicht und hei bestehenden Differenzen die Heizleistung des Ofens in der Richtung steuert, daß die Differenz ein Minimum erreicht.• 5 where the measured variable is an electrical voltage in general of the order of mV ai'.fälll. Accordingly, an electrical voltage source is also used as a setpoint generator, which is used for comparison supplies a voltage of the same order of magnitude with the actual value. This voltage is usually regulated by adjusting a controllable voltage divider (potentiometer) in the nominal voltage circuit. The voltage provided by the setpoint generator is then fed to the actual controller, which continuously compares the actual value / ί with the setpoint and when there are differences, the heating output of the furnace controls in the direction that the difference is a Minimum reached.
Die Regelung von Aufheiz- oder Abkühlungsvor-The regulation of heating or cooling
3« gangen mit linearem Zeil-Temperaturverlauf wird im allgemeinen in der Weise durchgeführt, daß das SoII-wcrlpotentiomcter dein gewünschten Zeit-Temperaturverlauf entsprechend mit Hilfe eines einfachen elektromechanischen Antriebes z. B. in Form eines Getriebemotors mit stufenweiser Geschwindigkeitseinstellung, verstellt wird. 3 «went with a linear temperature curve in the generally carried out in such a way that the SoII-wcrlpotentiomcter your desired time-temperature curve with the help of a simple electromechanical drive z. B. in the form of a gear motor with gradual speed adjustment is adjusted.
Im Gegensatz dazu erfordert die Regelung von Auf heiz- und Abkühlungsvorgängen, die einem exponentiellen Z-eit-Temperalur-Geselz folgen sollen, fiirIn contrast, the regulation of heating and cooling processes requires an exponential Time-Temperalur-Geselz should follow, for
1" die Verstellung des Sollwertgebers einen vergleichsweise wesentlich größeren Aufwand, wie z. H. spezielle Funktionsgetriebe oder komplizierte Kurveiischeibcn. 1 "the adjustment of the setpoint device a comparatively much greater effort, such as H. special functional gears or complicated camshafts.
Es ist ein Regelsystem, insbesondere zur Regelung von Temperaturen bekannt, bei welchem über einen Rampengeneralor ein vorzugsweise linear veränderlicher Sollwert für einen Temperaturregler vorgegeben wird. Das eben erwähnte Regelsystem ist verhältnismäßig kompliziert unil überdies sind wie bereits vorstehend angeführt wurde - linear veränderliche Sollwerte bei Abkiihlungs- oder Aufhei/vorgängen oft nachteilig.There is a control system, in particular for controlling temperatures, in which a Ramp generalor is a preferably linearly variable setpoint for a temperature controller will. The control system just mentioned is relatively complicated and, moreover, as already mentioned above was stated - linearly variable setpoints for cooling or heating processes often disadvantageous.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden und eine verhältnismäßig sehr einfache Einrichtung zur besonders vorteilhaften Regelung von Abkiihlungs- oiler Aufheizvorgängen zu schaffen.The invention is based on the object of avoiding the above-mentioned disadvantages and a relatively very simple device for the particularly advantageous regulation of cooling oiler To create heating processes.
Erfindiingsgemäß wird dies mittels einer Schaltung der eingangs genannten Art ilatltireh erreicht, tlali /ur Erzeugung einer exponentiell verlaufenden Vergleichsspannung ein RC-Glied über einen Schalter an eine Glcichspannungst|iicllc angeschlossen ist und daß dem RC-Glied ein Pufferverstiirker nachgeschaltct ist, dessen Eingangswidcrstand gegenüber dem Wiilei-According to the invention, this is achieved by means of a circuit of the type mentioned at the beginning, tlali / ur Generation of an exponentially running comparison voltage to an RC element via a switch a DC voltage is connected and that a buffer amplifier is connected downstream of the RC element, whose input resistance to the wilei-
<>5 stand lies RC-Gliedes sehr groll ist und vorzugsweise mindestens das Zehnfache des zulel/t angeführten Widerstandes beträgt und dessen Atisgangsseitc mit dem Regelkreis verbunden ist.<> 5 said the RC link is very angry and preferably at least ten times the specified allowance / t Resistance is and whose Atisgangsseitc is connected to the control loop.
Denn während eier Zeii-Temperaturverlauf hei cxponentiellem Aufheizen oder Abkühlen durch die Wärmekapazität des Systems und die Wiirmezu- oder -abfuhr zum oder vom System nestimmi wird, hängt der Zeit-Spannungsverlauf beim Laden oder Entladen eines elektrischen Kondensators von seiner Kapazität und von der Größe des Widerstandes ab, durch den der Lade- oder Entladestrom fließt. Dementsprechend kann die Zeitkonstante eines Lade- oder Entladevorganges nach der FormelBecause during one time the temperature curve is hot exponential Heating up or cooling down due to the heat capacity of the system and the heat exchangers -Discharge to or from the nestimmi system depends the time-voltage curve when charging or discharging an electrical capacitor from its capacity and on the size of the resistor through which the charge or discharge current flows. Accordingly can be the time constant of a charging or discharging process according to the formula
T=RC Gleichung (1) T = RC equation (1)
berechnet werden, wobei r die Zeitkonstante in Sekunden, R der Entladewiderstand in Megaohm und C die Kapazität des Kondensators in Mikrofarad bedeuten. Gegenüber den bekannten Einrichtungen zur Regelung von Abkühlungs- und Aufheizvorgängen bietet die erfindungsgeniiiUe Schaltung den Vorteil, daLl sie es in exakterer und dabei verhältnismäßig einfacher Weise gestattet, solche Vorgänge automatisch zu steuern.can be calculated, where r is the time constant in seconds, R is the discharge resistance in megohms and C is the capacitance of the capacitor in microfarads. Compared with the known devices for regulating cooling and heating processes, the circuit according to the invention offers the advantage that it allows such processes to be controlled automatically in a more precise and relatively simple manner.
Im folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsheispiel erläutert, das durch die Zeichnung in schematischer Darstellung veranschaulicht ist. Die Fig. I zeigt in einem Koordinatensystem den mittels der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erzielten exponcnticllen Zeit- Tcmperaturvcrlauf durch eine durchgezogene Kurve (und vergleichsweise den an früherer Stelle erwähnten linearen Zeit-Tempcraturverlauf durch eine strichpunktierte Gerade), wobei die Abszisse die Zeitachse darstellt und die Ordinate die Temperatur, Thermospannung usw. wiedergibt. Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsart der erfindungsgemäLlen Schaltung.In the following the invention is explained in an exemplary embodiment, which is illustrated by the drawing in schematic representation is illustrated. Fig. I shows in a coordinate system the means the circuit shown in Fig. 2 achieved exponcnticllen Time-temperature curve through a solid curve (and comparatively that on earlier Position mentioned linear time-temperature curve through a dash-dotted straight line), with the abscissa represents the time axis and the ordinate represents the temperature, thermal voltage, etc. the 2 shows a possible embodiment of the circuit according to the invention.
Die zur Ladung des RC-Gliedes 3 erforderliche Spannung wird dem RC-Glied über einen Schalter 2 von einer Gleichspannungsquellc 1 zugeführt. Mit dem Schalter kann der Ladevorgang eingeleitet und beendet werden. Dabei entspricht das Laden dem Aufheizen, das Entladen dem Abkühlen. Der Schalter 2 kann grundsätzlich in zwei Betriebsarten angewendet werden.The voltage required to charge the RC element 3 is supplied to the RC element via a switch 2 supplied from a DC voltage source c 1. With the switch the charging process can be initiated and be terminated. Charging corresponds to heating up, discharging corresponds to cooling down. The desk 2 can basically be used in two operating modes.
Betriebsart I:Operating mode I:
Bei dieser Funktionsart wird der LaJevorgang manuell oder über elektrische Hilfskreisc-Relais durch Schließen des Schalters 2 bzw. der Entladevorgang durch Öffnen des Schalters 2 eingeleitet. Bei dieser Funktion des Schalters 2 ew'spricht die Zeitkonstantc des RC-Giiedcs dem Produkt R mal C.With this type of function, the loading process is initiated manually or via electrical auxiliary circuit relays by closing switch 2 or the discharging process by opening switch 2. With this function of switch 2 ew's, the time constant of the RC-Giiedcs corresponds to the product R times C.
Betriebsart 2:Operating mode 2:
Dabei arbeitet der Schalter 2 in der Weise, daß nach Abschluß des Ladevorganges zunächst der Entladevorgang des RC-Gliedes eingeleitet wird; während des Entladevorganges des RC-Gliedes wird aber der Kondensator durch kurzzeitige Impulse über den Schalter 2 jeweils mit einer bestimmten, einstellbaren Ladungsmenge nachgeladen, wobei die Lademenge kleiner sein muli als die Entiademenge, da sonst keine Entladung stattfinden kann. Auf diese Weise läßt sich der Entladevorgang beliebig verlängern bzw. verlangsamen. Das Ausmaß der Verlängerung kann durch das Verhältnis zwischen den Einschaltzeiten und ilen Ausschaltzeiten, dem sogenannten Tastverhältnis bzw. durch die Nachlademenge bestimmt werden. Um insgesamt einen quasikontinuierliehen Entladevorgangdes RC-Gliedes zu erzielen, soll das impulsartige Nachladen des Kondensators mit beliebiger Frequenz, vorzugsweise jedoch mit mehr als K) Hz erfolgen, wobei das Tastverhältnis während des gesamten Entladevorganges des RC-Gliedes konstant bleiben soll. Beispielsweise ergibt ein Tastverhältnis von 1 : 1 (50 % ein- bzw. 50 % ausgeschaltet - mindestens 10 χ je Sekunde) beim Ladevorgang eine Verdoppelung der Zeitkonstante r. Wesentlich ist auch, daß sich auf diese Weise nicht nur der Entlade-, sondern auch der Ladevorgang des ÄC-Gliedes verlangsamenThe switch 2 works in such a way that after the completion of the charging process, the discharging process of the RC element is initiated first; During the discharging process of the RC element, however, the capacitor is recharged with a specific, adjustable amount of charge by means of brief pulses via switch 2, the amount of charge being smaller than the amount of discharge, as otherwise no discharge can take place. In this way, the discharge process can be lengthened or slowed down as desired. The extent of the lengthening can be determined by the ratio between the switch-on times and ilen switch-off times, the so-called duty cycle or the recharge amount. In order to achieve a quasi-continuous discharge process of the RC element, the impulse-like recharging of the capacitor should take place at any frequency, but preferably with more than K) Hz, whereby the duty cycle should remain constant during the entire discharge process of the RC element. For example, a duty cycle of 1: 1 (50 % switched on or 50 % switched off - at least 10 χ per second) results in a doubling of the time constant r during the charging process. It is also essential that in this way not only the discharging but also the charging process of the AC element slows down
« läßt." leaves.
Um auf die beschriebene Weise auch sehr langsam ablaufende Aufheiz- und Abkiihlungsvorgänge exakt regeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Zeilkr>nstante des RC-Gliedes 3 möglichst groß ist. NachIn order to regulate also very slow process of heating and Abkiihlungsvorgänge exactly in the manner described, it is advantageous if the Zeilk r> nstante the RC element 3 is as large as possible. To
*5 Gleichung (1) bedeutet dies, daß für ein derartiges RC-Glied hohe Widerstände und Kondensatoren mit großer Kapazität verwendet werden sollten.* 5 equation (1) this means that for such a RC element high resistances and capacitors with large capacitance should be used.
Wird nun ein solches RC-Glied mi! dem eigentlichen Regelkreis 6 verbunden, so muH gewährleistet werden, daß der Innenwiderstand des Regelkreises 6 wesentlich größer ist als der Widerstand des RC-Gliedes 3, da sich im gegenteiligen Fall der Kondensator ties RC-Gliedes im wesentlichen nicht ausschließlich über dessen Widerstand, sondern mehr oder weniger auch über den Innenwiderstand des Regelkreises entladen würde, wodurch es zu einer Veränderung der Zeitkonstante des RC-Gliedes und damit zu einer Änderung der Charakteristik des Sollwertgebers kommt.If such an RC element is now mi! connected to the actual control loop 6, so must be guaranteed be that the internal resistance of the control circuit 6 is much greater than the resistance of the RC element 3, since in the opposite case the capacitor ties the RC element essentially not exclusively via its resistance, but more or less also via the internal resistance of the control loop which would lead to a change in the time constant of the RC element and thus to a The characteristic of the setpoint generator changes.
Um diese Fehlerquelle auszuschalten, ist vorgesehen, dull zwischen RC-Glied 3 und Regelkreis 6 ein
Pufferverstärker 4 mit sehr hohem Widerstand des Eingangsslromkreises (d. h. mit sehr hohem Eingangswiderstand
bzw. mit sehr hoher Eingangsimpedanz) geschaltet wird. Dieser Verstärker 4 ist so auszulegen,
daß sein Eingangswiderstand größer als der Entladewiderstand des verwendeten RC-Gliedes 3
ist, vorzugsweise um mindestens das Zehnfache.
Die vom RC-Glicd 3 und dem nachgcschalleten Pufferverstärker 4 abgegebene Spannung liegt in der
Größenordnung von einigen Volt. Um im Regelkreis 6 einen Sollwert-Istwert-Vcrgleich durchführen
zu können, muß die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 4 auf die Größenordnung der vom Temperatiirmeßwcrtgeber
7 (Thermoelement, Widerstandthermometer) abgegebenen Meßspannung angepaßt werden. Zu diesem Zweck ist zwischen
Pufferverstärker 4 und Regelkreise ein geeigneter Spannungsteiler 5 geschaltet.To eliminate this source of error, it is provided that a buffer amplifier 4 with a very high resistance of the input circuit (ie with a very high input resistance or with a very high input impedance) is connected between the RC element 3 and the control circuit 6. This amplifier 4 is to be designed so that its input resistance is greater than the discharge resistance of the RC element 3 used, preferably by at least ten times.
The voltage output by the RC-Glicd 3 and the nachgcschalleten buffer amplifier 4 is of the order of a few volts. In order to be able to carry out a setpoint-actual value comparison in the control circuit 6, the output voltage of the buffer amplifier 4 must be adapted to the order of magnitude of the measurement voltage emitted by the temperature sensor 7 (thermocouple, resistance thermometer). For this purpose, a suitable voltage divider 5 is connected between the buffer amplifier 4 and the control circuits.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
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