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Digitale Regeleinrichtung, insbesondere Regeleinrichtung für die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums
Die Erfindung betrifft eine digitale Regeleinrichtung, insbesondere eine Regeleinrichtung'für die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, bei welcher in aufeinanderfolgenden Messperioden nach einem Vergleich des Istwertes mit dem Sollwert mittels übertragungseinrichtungen eine zusammengesetzte analoge Stellgrösse gewonnen wird.
Viele industrielle Verfahren umfassen zahlreiche verschiedene Regelgrössen, die gleichzeitig mit einem hohen Grad an Genauigkeit geregelt werden müssen. Solche Verfahren werden häufig automatisch unter Verwendung von Regeleinrichtungen durchgeführt, welche alle diese Grössen überwachen und sie auf vorbestimmten Pegeln halten. In einigen Arten von Regeleinrichtungen wird von jeder Regelgrösse ein getrenntes Signal erhalten. Dieses Istwertsignal, welches proportional dem Wert der Grösse ist, wird mit einem Bezugs- oder Sollwertsignal verglichen, das proportional demjenigen Wert der Grösse ist, auf dem die Grösse gehalten werden soll.
Die Differenz zwischen dem Istwert- und dem Sollwertsignal, d. h. die sogenannte Regelabweichung, ergibt nach weiterer Verarbeitung eine Stellgrösse, welche den Umfang der Korrektur, wenn eine solche notwendig ist, angibt, die zur Wiederherstellung des richtigen Pegels der Regelgrösse erforderlich ist.
Bei Regeleinrichtungen dieses Typs werden häufig das Istwertsignal und das Sollwertsignal in Digitalsignale umgeformt, welche eine Anzahl oder eine Anordnung diskreter Impulse enthalten, die die Grösse des jeweiligen Signals darstellen. Die beiden Digitalsignale werden dann verglichen, wobei bei dem einen der Signale so lange Impulse addiert oder subtrahiert werden, bis dieses Signal dem andern Signal gleich ist. Die Anzahl der addierten oder subtrahierten Impulse ist gleich der Differenz zwischen den beiden Signalen und bildet die Regelabweichung. Die Regelabweichung wird nach entsprechender weiterer Verarbeitung dazu verwendet, ein Stellglied, wie ein proportionales Ventil usw., zu betätigen, um die Regelgrösse so lange abzuändern, bis die Regelabweichung auf Null verringert ist, wodurch die Regelgrösse auf dem richtigen Pegel gehalten wird.
Normalerweise sind nun solche Stellglieder nicht in der Lage, auf Digitalsignale anzusprechen und müssen daher durch Analogsignale betätigt werden. Die im betrachteten Fall als Digitalsignal vorliegende Regelabweichung ist ausserdem von vergänglicher Art und verschwindet, bevor das Stellglied auf die aus der Regelabweichung gewonnene Stellgrösse ansprechen und die gewünschte Einstellung vornehmen kann. Infolgedessen ist es normalerweise notwendig, die digitale Regelabweichung in eine analoge Stellgrösse umzuformen, welche zur Betätigung eines Stellgliedes geeignet ist, und die analoge Stellgrösse für eine ausreichende Zeit beizubehalten, um das Stellglied zu betätigen.
Bei einem bereits vorgeschlagenen Signalumformer wird die digitale Regelabweichung in einen einzigen Impuls umgeformt, welcher eine der Grösse der Abweichung proportionale Zeitdauer hat. Dieser ausgewählte Impuls wird dann durch einen langsamen Integrator, wie eine Solionzelle, integriert, um eine analoge Stellgrösse zu erzeugen. Die sich ergebende Regelung ist teilweise eine Funktion der Grösse der Abweichung und teilweise eine Funktion der Grösse der Zeit, in der diese Abweichung vorhanden war, d. h. die Stellgrösse ist ein Integral der Regelabweichung. Im Falle einer abrupten
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Änderung in der Grösse der Abweichung ändert sich die Stellgrösse nicht abrupt proportional dazu.
Statt dessen baut sich die Stellgrösse allmählich bis zu einem Wert auf, der der Grösse der Abweichung entspricht.
Diese Form einer Regelwirkung ist gut geeignet für einige Arten industrieller Verfahren und insbesondere für Verfahren, bei denen eine Zeitverzögerung und eine allmähliche Änderung der
Regelgrössen erwünscht sind. Bei einigen Verfahrensarten ist es jedoch zweckmässig, die Werte der
Stellgrössen immer auf den Bezugs- oder Sollwert einzustellen, u. zw. unabhängig von der Geschwindigkeit irgendwelcher Änderungen der Regelgrössen. Dadurch wird die Stellgrösse direkt proportional der Grösse der Abweichung und unabhängig von der Zeit verändert.
Ziel der Erfindung ist es nun, diese beiden Regelarten in optimaler Weise zu kombinieren. Dies wird bei der eingangs näher bezeichneten digitalen Regeleinrichtung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass als parallelschaltbare, einen proportionalen oder integralen Stellgrössenanteil liefernde Übertragungseinrichtung bipolare Signalumformer vorgesehen sind, denen Speicherstufen mit gegebenenfalls voneinander unterschiedlicher Aufkling- und Abklingzeitkonstante nachgeschaltet sind, und dass der Ausgang dieser Speicherstufen mit energieumsetzenden Speicherstufen verbunden ist, die mit einer zur Über- oder Minimalstrombegrenzung dienenden Rückkopplung versehen sind.
Gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung sind die energieumsetzenden Speicherstufen durch stromintegrierende Solionzellen gebildet, denen Strom- und Spannungswandler nachgeschaltet sind.
Die Erfindung wird nun an Hand einer in der Zeichnung in Form eines Blockdiagramms dargestellten Ausführungsform näher beschrieben.
Die erfindungsgemässe digitale Regeleinrichtung kann besonders in einer Regelanordnung angewendet werden, in der eine grosse Anzahl von Regelgrössen einzeln in irgendeiner vorbestimmten Beziehung geregelt werden muss. Die Regelanordnung --12-- enthält getrennte Messglieder zur Ermittlung der Istwerte und getrennte Stellglieder zur Regelung der Regelgrössen.
Zum Beispiel kann eine der Regelgrössen in dem Verfahren die Fliessgeschwindigkeit eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung --14-- sein. Ein Messglied-16- ermittelt die Fliessgeschwindigkeit durch das Rohr--14--und erzeugt ein der Geschwindigkeit proportionales Istwertsignal. Ein Stellglied nach Art eines Ventils --18-- ist in der Leitung-14vorgesehen, um die Fliessgeschwindigkeit proportional zur Grösse einer an das Stellglied gelieferten Stellgrösse zu regeln.
Das Messglied--16--ist zusammen mit allen andern Messgliedern, welche die andern Regelgrössen in dem Verfahren überwachen, mit verschiedenen Eingängen --20-- eines Digitalkomparators--22--verbunden.
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Aufeinanderfolge mehrere Messglieder abgetastet bzw. mehrere Istwertsignale mit den entsprechenden Sollwertsignalen verglichen werden, zur Erzeugung getrennter Regelabweichungen an den Ausgängen - für jede Regelgrösse. Jeder der Ausgänge --23-- ist mit einer getrennten Ausgangsvorrichtung--10--verbunden, in welcher die Regelabweichung weiter verarbeitet wird und aus welchem eine Stellgrösse an das Stellglied--18--geliefert wird.
Dadurch entsteht eine getrennte geschlossene Schleife für jede Regelgrösse, wodurch jede Regelgrösse auf ihrem entsprechenden Pegel gehalten wird. Der Digitalkomparator--22-kann von jeder gewünschten Art sein. Im vorliegenden Fall ist er jedoch praktisch identisch mit einer bereits vorgeschlagenen Regelvorrichtung.
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Messglied erzeugt ein dem Istwert der überwachten Regelgrösse proportionales Analogsignal. Der Komparator --22-- formt in der Folge jedes dieser Analogsignale in ein Digitalsignal um und vergleicht es mit einem entsprechenden Digitalsollwertsignal.
Wenn eine Differenz zwischen den beiden Signalen besteht, werden bei dem einen der Signale Impulse digital addiert oder subtrahiert, bis die beiden Signale gleich sind. Die Anzahl der Impulse, die addiert oder subtrahiert wird, ist gleich der ursprünglichen Differenz zwischen den beiden Signalen und deshalb gleich der Regelabweichung. Demnach besteht jedes der Abweichungssignale des Komparators aus einer Reihe oder Folge periodischer Spannungsimpulse. Jeder Impuls ist von gleicher Bedeutung, wodurch die Gesamtanzahl der Impulse oder die Dauer der Impulsfolge proportional der Grösse der Abweichung ist. Die Polarität der Impulse in der Folge zeigt an, ob die Abweichung positiv oder negativ ist.
Eine getrennte Ausgangsvorrichtung --10-- ist für jede der zu überwachenden Regelgrössen vorgesehen ; jede Ausgangsvorrichtung--10--enthält einen Eingang--24--, der mit dem einen der Ausgänge--23--des Komparators--22--verbunden ist und von dort die Abweichungssignale
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Stromimpulse.
Die Umformung von Spannungsimpulsen in Stromimpulse kann durch irgendeine geeignete Vorrichtung geschehen. So kann z. B. ein Paar Transistoren od. ähnl. Bauelemente mit einander entgegengesetztem Aufbau mit gemeinsamer Basiselektrode geschaltet werden, um einen bipolaren Stromfluss auf Grund des Auftretens eines Spannungsimpulses am Eingang zu erzeugen. Der Umformer - kann einen getrennten Stromimpuls für jeden ankommenden Spannungsimpuls liefern. Es ist jedoch hinsichtlich der Dauer jedes Stromimpulses zweckmässig, wenn diese gleich dem Intervall zwischen den Spannungsimpulsen ist. Infolgedessen wird jedes Abweichungssignal in einen einzigen Stromimpuls umgewandelt, dessen Zeitdauer gleich der Dauer der Spannungsimpulsfolge ist.
Wenn die Abweichung in der einen Richtung vorliegt, werden die Spannungsimpulse von einer ersten Polarität sein, und der Strom wird in einer ersten Richtung fliessen. Wenn die Abweichung von entgegengesetzter Richtung ist, dann werden die Spannungsimpulse eine zweite Polarität aufweisen, und der Strom wird in der zweiten Richtung fliessen.
Der Signalumformer --30-- enthält eine Konstantstromquelle, die die Stromstärke an seinem Ausgang konstant hält. Demnach wird unabhängig von der Impedanz, die der Strom durchfliesst, oder von der Spannung über der Impedanz der Strom konstant sein, und das Integral des Stromes wird proportional seiner Zeitdauer sein.
Der Ausgang des Umformers --30-- ist mit einem schnellen Integrator --32-- verbunden, welchem er die Konstantstromimpulse liefert. Obwohl der Signalumformer --30-- kontinuierlich direkt mit dem Integrator --32-- verbunden sein kann, verwendet die Regelanordnung --12-- im vorliegenden Fall und insbesondere der Komparator--22--das Zeitteilungs-Multiplexverfahren, um die Überwachung einer grossen Anzahl von Regelgrössen zu ermöglichen. Infolgedessen sind der Signalumformer--30--und der schnelle Integrator --32-- miteinander durch einen Abtastschalter --34--- verbunden.
Der Schalter --34-- ist über einen Ausgang --33-- mit dem Komparator-22verbunden, um ein synchronisiertes Torschaltungssignal zu empfangen. Das Torschaltungssignal hält den Schalter --34-- normalerweise offen. Wenn der Komparator --22-- jedoch ein Abweichungssignal für die durch die Ausgangsvorrichtung --10-- überwachte Regelgrösse erzeugt, dann schliesst das Torschaltungssignal den Schalter --34-- für ein vorbestimmtes Zeitintervall. Das Konstantstrom- impulssignal vom Umformer --30-- wird durch den Schalter --34-- zum Integrator --32-hindurchgehen.
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--10-- fürAusgangsvorrichtung-10-zu verwenden.
Die Verstärkung der verschiedenen Umformer-30kann verändert werden, damit jedes der Abweichungssignale normiert werden kann, wodurch die Konstantstromsignale für jede Ausgangsvorrichtung--10-oder jeden Regelkanal einen vorbestimmten Höchstwert haben.
Der Integrator --32-- dient zur Integration des Stromflusses in den einzelnen Abweichungssignalen. Zum Beispiel enthält der Integrator --32-- einen Kondensator, welcher eine Ladung für einen ausgedehnten Zeitraum speichern kann. Der Kondensator ist mit dem Schalter - durch einen niederohmigen Pfad verbunden, welcher einen Ladeweg mit sehr kurzer
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wird der Stromfluss in den Kondensator während des ganzen Signals konstant gehalten. Infolgedessen ist die in dem Kondensator gespeicherte Ladung und die an diesem liegende Spannung eine lineare Funktion der Dauer des Stromimpulses vom Umformer-30-, welcher wieder proportional der Grösse des Abweichungssignals ist.
Der Ausgang des schnellen Integrators--32--ist mit dem Eingang eines Integrators--36-verbunden, welcher eine Ladung ansammeln oder Strom integrieren und einen dazu proportionalen
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kontinuierlichen Ausgangsstrom erzeugen kann.
Obwohl der Integrator --36-- von jeder gewünschten Art sein kann, hat sich herausgestellt, dass eine sogenannte Solionzelle besonders gut für diesen Zweck geeignet ist. Eine Solionzelle ist ein elektronisches Bauelement, welches durch Regelung und Überwachung einer reversiblen elektrochemischen Reaktion in einer in der Solionzelle enthaltenen elektrolytischen Lösung funktioniert. Die verwendete Reaktion ist eine sogenannte Redoxreaktion, in der einer oder mehrere der Bestandteile in der elektrolytischen Lösung oxydiert und auf Grund der sich ansammelnden Ladung von durch die Solionzelle fliessenden Strom reduziert wird. Die Richtung der Reaktion ist auf Grund der Stromrichtung reversibel.
Die elektrolytische Lösung ist in einen geeigneten Behälter hermetisch eingeschlossen. Ein Paar
Endelektroden wird in den Elektrolyten nahe den einander gegenüberliegenden Enden des Behälters eingetaucht. Diese Endelektroden bestehen aus einem inerten Material, wie Platin, und sie werden in dem Elektrolyten nicht angegriffen. Eine Schirmelektrode und eine Ableseelektrode, die ebenfalls aus einem inerten Material bestehen, sind zwischen den Endelektroden angeordnet. Diese Elektroden teilen den Innenraum der Kapsel in drei getrennte Abteile. Die Schirm- und Ableseelektroden sind perforiert, so dass der Elektrolyt und die Ionen darin zwischen den Abteilen zirkulieren können.
Das Abteil zwischen der Schirmelektrode und der ersten Endelektrode wird allgemein als Behälter bezeichnet und bildet das grösste Abteil. Das Abteil zwischen der Ableseelektrode und der zweiten
Endelektrode wird allgemein Integralabteil genannt. Normalerweise ist das Integralabteil sehr klein, und eine Gleichgewichtsverteilung von Ionen in dem Integralabteil kann innerhalb verhältnismässig kurzer
Zeit erreicht werden. Das Abteil zwischen der Schirm- und der Ableseelektrode dient zur Trennung dieser Elektroden voneinander. Der Elektrolyt in allen Abteilen enthält sowohl oxydierte als auch reduzierte Exemplare eines Ions des Elektrolyten.
Die Ionen fliessen zwischen dem Behälter und dem Integralabteil immer dann, wenn ein Strom zwischen den beiden Endelektroden fliesst. Die Menge der übertragenen Ionen ist ein Integral des
Ladestromes, welcher zwischen den Endelektroden geflossen ist. Wenn eine Spannung zwischen der Ableseelektrode und einer Endelektrode angelegt wird, werden die Ionen an der einen Elektrode oxydiert und im gleichen Masse an der andern Elektrode reduziert, wodurch ein Strom zwischen den beiden Elektroden fliessen wird. Wenn die Spannung zwischen diesen Elektroden irgendwo in einem ausgedehnten Wertebereich gehalten wird, dann wird die Grösse des Stromflusses in der Ableseelektrode allein durch die Konzentration der Ionen im Integralabteil bestimmt. Solange die Ionenkonzentration sich nicht verändert und eine Spannung an die Ableseelektrode angelegt wird, wird der Strom konstant bleiben.
Infolgedessen ist der zwischen der End- und der Ableseelektrode fliessende Strom ein Integral des Stromes, der vorher zwischen den beiden Endelektroden geflossen ist. Dies ist ein vollständig reversibler Prozess, wodurch der Ladestrom zwischen den Endelektroden in irgendeiner Richtung fliessen und der Ausgangsstrom in der Elektrode infolge der Tatsache gesteigert und verringert werden kann, dass sich das Integral des Ladestromes vergrössert oder abnimmt.
Die Endelektroden der Solionzelle sind mit dem schnellen Integrator--32--oder dem Kondensator darin verbunden. Wenn infolgedessen ein Abweichungsstromimpuls am Ausgang des Signalumformers--30--auftritt, während der Schalter --34-- geschlossen ist, wird der Integrator - 32--sofort den Strom in dem Impuls integrieren. Das integrierte Signal oder die gespeicherte Ladung wird dann vom schnellen Integrator--32--in den langsamen Integrator --36-- oder die Solionzelle darin übertragen.
Jedesmal, wenn ein Digitalsignal vom Integrator--32--zum Integrator--36--Hiesst, wird die Ionenkonzentration im Integralabteil der Solionzelle proportional einem Integral des Stromes und auch der Anzahl der Impulse verändert, die in dem ursprünglichen Spannungsdigitalsignal auf den Eingang --24-- gegeben wurden. Die Polarität des ursprünglichen Signals bestimmt die Fliessrichtung von Strom, die durch die Solionzelle entwickelt wird. Da der Redoxprozess in der Solionzelle vollständig reversibel ist, wird die sich ergebende Änderung in der Ionenkonzentration nicht nur die Anzahl der Impulse im Abweichungssignal, sondern auch die Polarität wiedergeben. Es ist demnach zu sehen, dass durch Aufbringung einer Spannung über die Ableseelektrode und einer der Endelektroden ein analoger Strom in der Ableseelektrode erzeugt wird.
Demnach wird der Strom vom Integrator - solange anhalten, wie die Spannung angelegt bleibt, und er wird eine Amplitude haben, die dem Integral des ursprünglichen Digitalsignals entspricht.
Normalerweise gibt es einen hohen Grad an Linearität zwischen der Gesamtladung, d. h. dem Integral des zwischen den Endelektroden zugeführten Stromes, und dem Strom von der
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Ableseelektrode. Wenn jedoch die Frequenz der an eine Solionzelle gelieferten Stromimpulse eine vorbestimmte Höhe überschreitet, dann neigt die Linearität zu einer Abnahme bei weiterer Steigerung der Frequenz des Stromes. Der schnelle Integrator--32--integriert den Strom in dem kurzen
Zeitintervall, während dessen das Abweichungssignal auftritt. Der Pfad zur Entladung des Stromes von der Kapazität im Integrator-32-enthält einen geeigneten Widerstand, um die Integrationsperiode auf ein Intervall zu strecken, welches in der Zeitgrössenordnung zwischen aufeinanderfolgenden
Abweichungssignalen liegt.
Dadurch wird die Frequenz des Signals sicher in den linearen Bereich einer
Solionzelle verringert.
Das Signal vom Solionzellenintegrator--36--ist ein Strom, dessen Amplitude proportional dem ursprünglichen Digitalsignal ist, das an den Eingang --24-- geliefert wurde, und es wird auf dieser Amplitude bleiben, bis eine neue Ladung vom schnellen Integrator --32-- übertragen wird. Die
Amplitude des Stromes ist jedoch normalerweise sehr klein und liegt z. B. im Bereich von 1 mA. Um die
Amplitude des Stromsignals auf einen brauchbareren Pegel zu erhöhen, werden ein
Strom-Spannungs-Signalumformer und ein Verstärker --38-- verwendet.
Es ist zweckmässig, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches ein Stromsignal an Stelle eines
Spannungssignals ist ; der Verstärker --38-- kann mit einem Spannungs-Strom-Signalumformer --40-- verbunden werden. Diese Stufe --40-- kann auch Verstärkungsmittel enthalten, um die Signalamplitude weiter zu steigern.
Der Ausgang vom Verstärker ---40-- ist mit dem Stellglied --18-- mit Hilfe eines Wählschalters-42-verbunden. Wenn der bewegliche Kontakt des Schalters --42-- am festen Kontakt --44-- liegt, wird das Stellsignal vom Verstärker --40-- auf das Stellglied-18gegeben. Das Stellsignal verändert die Einstellung des Stellgliedes-18-, um die Regelstrecke zu beeinflussen.
Wenn die Stromsignale des Verstärkers --40-- zur Regelung eines Stellgliedes-18verwendet werden, ist es häufig zweckmässig, den maximal möglichen Stellstrom auf einen Wert zu begrenzen, welcher das Stellglied nicht überlastet. Ausserdem ist es auch üblich, bei Regeleinrichtungen den Mindeststrom auf irgendeinen bestimmten Schwellenpegel zu begrenzen. Infolgedessen wird ein Nullzustand durch einen Strom gleich dem Schwellenpegel dargestellt, und ein Nullstromsignal wird eine unzweideutige Anzeige eines Versagens oder eines Fehlers sein.
Um obere und untere Grenzen für den Ausgangsstrom zu schaffen, ist ein Begrenzungsabschnitt - vorgesehen. Der Begrenzungsabschnitt-46-ist mit dem Ausgang des Strom-Spannungs-Umformers-38-verbunden. Der Begrenzer --46-- empfängt demnach ein Signal, welches proportional dem integrierten Signal von der Solionzelle im langsamen Integrator - ist. Der Ausgang des Begrenzers-46-ist mit dem Eingang des Integrators-36verbunden, um an diesen Strom zu liefern. Der Begrenzer --46-- spricht auf festgesetzte Grenzen an, und wenn das Signal vom Umformer --38-- dazu neigt, irgendeine der Höchst- oder Mindestgrenzen zu überschreiten, dann wird der Begrenzer --46-- einen Strom in die Solionzelle-36-- zurückkoppeln.
Dadurch wird die Ladung in der Zelle innerhalb bestimmter Grenzen gehalten, und es werden die Extreme des an den Schalter ---42-- gelieferten Signals begrenzt.
Gemss dem bis jetzt beschriebenen Abschnitt des Steuersystems wird das Messglied--16-den Istwert ermitteln und ein analoges Istwertsignal erzeugen. Dieses analoge Signal wird in den direkten Digitalkomparator-22-gegeben, wo es mit einem digitalen Sollwertsignal verglichen wird. Dieser Vergleich erzeugt ein digitales Abweichungssignal proportional der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert.
Das digitale Abweichungssignal wird an den Signalumformer--30--geliefert, wo es in einen Konstantstromimpuls mit einer Zeitdauer proportional der Grösse der Abweichung umgeformt wird. Das Abweichungssignal läuft dann mit hoher Geschwindigkeit durch den Abtasterschalter--34--und in
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die übertragene Ladung an und erzeugt einen Strom, welcher proportional dem Integral der Abweichung ist. Die zur Übertragung der Ladung benötigte Zeitperiode liegt in der Grössenordnung des Intervalles zwischen aufeinanderfolgenden Abweichungssignalen. Der Strom des Integrators-36-wird jedoch solange anhalten, wie die Zelle erregt ist und die zugeführte Ladung nicht verändert wird.
Der Strom des Integrators-36-fliesst dann durch die Verstärker --38 und 40--, deren Ausgangssignal gelangt über den Schalter --42-- zum Stellglied --18--, um die Regelgrösse zu verändern. Unter der Voraussetzung, dass das Stellsignal innerhalb der durch den Begrenzer --46-erlaubten Grenzen liegt, wird die Grösse des Stellsignals sich allmählich über einen Zeitraum aufbauen,
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bis sie der Abweichung proportional ist. Demnach wird das Stellsignal eine Funktion sowohl der Grösse als auch der Zeitdauer des Abweichungssignals sein : hiebei ergibt sich eine allmähliche Änderung der Regelgrösse und eine Zeitverzögerung in der Änderung.
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--28-- vorgesehen,--50-- kann im wesentlichen mit dem Umformer --30-- des ersten Zweiges--26-identisch sein.
Der Umformer --50-- empfängt die das Abweichungssignal bildenden Spannungsimpulse und formt sie in einen Stromimpuls mit konstanter Amplitude um, dessen Zeitdauer proportional der Anzahl der Impulse im Abweichungssignal oder der Zeitdauer der Impulsfolge ist.
Der Ausgang des Signalumformers --50-- ist mit einem zweiten Abtastschalter-52-verbunden, welcher im wesentlichen mit dem ersten Abtastschalter --34-- identisch ist. Der Schalter ---52-- ist mit dem einen der Ausgänge --3-- des Digitalkomparators --2-- verbunden, Der Ausgang --33-- öffnet und schliesst den Schalter--52--synchron mit dem ersten Schalter --34-- und während des Intervalles, in dem das zugehörige Signal am Ausgang --23-- vorliegt.
Demnach wird das Konstantstromsignal vom Signalumformer --50-- durch den Abtastschalter --52-- nur während derjenigen Intervalle durchgelassen, in denen der Digitalumformer--22--ein Abweichungssignal für die von der Asugangsvorrichtung --10-- erfasste Regelgrösse erzeugt.
Der Ausgang des Abtastschalters-52-ist mit einem schnellen Integrator verbunden, welcher den vom Signalumformer--50--erzeugten Konstantstromimpuls empfangen kann. Dieser Integrator ---54-- kann praktisch mit dem Integrator --32-- identisch sein, und er enthält einen Kondensator oder ein ähnliches Bauelement, welches die gesamte Ladung im Stromfluss vom Umformer--50--ansammeln kann. Der Ladeweg zur Ansammlung der Ladung besitzt vorzugsweise eine sehr kurze Zeitkonstante, um das Aufladen in weniger als der Zeitdauer des Abweichungssignals zu erlauben. Die Spannung der im Kondensator angesammelten Ladung ist proportional der Grösse der Ladung.
Wie ersichtlich wird, unterscheidet sich dieser Integrator--54--von dem Integrator-32in den folgenden Punkten : Der Integrator-32-überträgt seine gespeicherte Ladung zum Integrator - -36-- verhältnismässig langsam. Infolgedessen fällt die Spannung der Ladung im Integrator-32allmählich, so wie die Ladung vom Kondensator übertragen wird. Im Gegensatz dazu ist es für den
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welche beträchtlich grösser als die Kapazität des Integrators --32-- ist, wodurch der Verlust einer vorbestimmten Ladungsmenge die Spannung der Ladung nicht wesentlich verringert.
Dadurch wird ein "Speicher" geschaffen, welcher die Spannung der gespeicherten Ladung auf einem nahezu konstanten
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der beiden Signale an den Eingängen --58 und 60-und erzeugt ein Differenzsignal am Ausgang - -62--. Dieses Signal besitzt eine Amplitude und eine Polarität, welche durch die Differenz zwischen den Grössen der Signale an den beiden Eingängen--58 und 60--und durch die Polarität der Differenz bestimmt sind.
Der Ausgang-62-des Komparatorverstärkers-56-steht mit dem Signaleingang - einer Kombination aus Schalter und Konstantstromquelle --64-- in Verbindung. Der Schalter--64--besitzt einen Torschaltungs-oder Steuereingang--68--, welcher den Schalter ---64-- öffnet und schliesst und das Signal am Signaleingang --56-- abblockt bzw. durchlässt. Der Steuereingang --68-- ist mit einem geeigneten Signaldetektor oder Nullsensor-70-verbunden.
Der Nullsensor-70-ist mit dem Ausgang-62-des Komparators-56-verbunden und spricht auf die Grösse des Differenzsignals an. Wenn ein Differenzsignal existiert, wird der Nullsensor-70--ein Signal an den Eingang --68-- liefern und den Schalter --64-- geschlossen halten. Dadurch kann das Differenzsignal unabhängig von seiner Grösse durchgehen. Der Schalter --64-- enthält auch eine Konstantstromquelle, welche den Ausgangsstrom gleich einer konstanten Menge hält, wann immer der Schalter geschlossen ist. Unabhängig von der Amplitude des an den Signaleingang gelieferten Differenzsignals wird demnach, wenn ein Differenzsignal existiert, der Strom
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verhindern.
Es ist so zu sehen, dass der Komparator --56-- die beiden Signale an den beiden Eingängen --58 und 60--vergleicht und dass, wenn ein Differenzsignal vorliegt, der Schalter--64-- geschlossen bleibt und den Durchgang des Differenzsignals in Form eines Konstantstromsignals erlaubt.
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oder Stromfluss davon verhindern.
Der Ausgang des Schalters --64-- ist mit einem langsamen Integrator --72-- verbunden.
Dieser Integrator --72-- integriert den daran gelieferten Strom und hält ein Ausgangssignal aufrecht, dessen Amplitude proportional dem Integral des Stromes ist. Dementsprechend kann dieser Integrator - 72-ähnlich dem langsamen Integrator --36-- sein, indem er auch eine Solionzelle enthält. Die beiden Endelektroden der Zelle sind mit dem Schalter --64-- verbunden, wodurch der Elektrolyt in der Zelle proportional der Strommenge durch die Zelle reduziert oder oxydiert wird. Die Ableseelektrode erzeugt dann einen kontinuierlichen Ausgangsstrom, welcher proportional der vom Schalter --64-- gelieferten Gesamtladung ist.
Der Ausgang des Integrators --72-- liegt an einer Verstärkungsvorrichtung, die das Signal auf
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--18-- gestattet.Insbesondere enthält sie einen Strom-Spannungs-Umformer und Verstärker--74--sowie einen Spannungs-Strom-Umformer und Verstärker-76-. Der erste Verstärker --74-- formt das Stromsignal in ein Spannungssignal um und verstärkt es auf einen brauchbareren Pegel. Der zweite
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--76-- steht- 78-- des Schalters --42-- in Verbindung. Wenn der bewegliche Kontakt auf den festen Kontakt - bewegt wird, wird das Signal vom zweiten Zweig --28-- auf das Stellglied-18geliefert, und es wird diesen betätigen sowie die von der Regeleinrichtung überwachte Regelgrösse verändern.
Der Ausgang des Strom-Spannungs-Umformers und Verstärkers-74-ist mit dem zweiten Eingang --60-- des Komparatoverstärkers --56-- verbunden. Es ist demnach zu sehen, dass ein Teil des Ausgangssignals auf den Verstärker-56-gelangt und mit der Amplitude der im schnellen
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--54--- angesammeltenDifferenzsignal am Ausgang --62-- erscheinen. Dieses Signal wird vom Nullsensor --70-- ermittelt, wodurch ein Torschaltungssignal den Schalter geschlossen halten wird. Das Differenzsignal wird dann durch den Schalter --64-- in Form eines Konstantstromsignals durchgehen. Der Strom wird dann in den Integrator --72-- fliessen.
Wenn die Ladung in der Solionzelle angesammelt ist, wird die Menge des vom Ausgang der Zelle fliessenden Stromes in Abhängigkeit von der Polarität der Differenz
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Strom-Spannungs-Umformer und Verstärker --74-- das sich verändernde Stromsignal in ein verstärktes Spannungssignal umformen, welches auch eine sich verändernde Amplitude hat. Obwohl
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sich verändernden Signals gleich der Amplitude des Signals am Eingang --58-- werden, und jegliche Differenz dazwischen wird verschwinden.
Der Nullsensor --70-- spricht auf dieses Differenzsignal an und liefert ein Ausgangs- oder Torschaltungssignal. Wenn die Differenz verschwindet, wird der Nullsensor --70-- diesen Nullzustand ermitteln und ein Torschaltungssignal liefern, welches den Schalter --64-- öffnet. Wenn der Schalter - öffnet, wird kein neuer Strom in die Solionzelle fliessen, um dadurch deren gespeicherte Ladung zu verändern. Solange der Schalter ---64-- offen bleibt, wird die Ladung konstant bleiben, und der Strom des Integrators --72-- wird konstant bleiben. Die in den Integrator-72- übermittelte Ladung wird von dem Schalter --64-- zugeführt. Infolgedessen wird nur eine geringe,
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wenn überhaupt eine Ladung vom schnellen Integrator während des Vergleiches übertragen werden.
Wenn die Ladung im Integrator --72-- ein Signal am Eingang--60--liefert, welches gleich dem Signal am Eingang --58-- ist, sind die im Integrator --72-- angesammelte Ladung und das Signal
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--52-- den- einschaltet, wird das Messglied --16-- ein analoges Istwertsignal erzeugen. Dieses Analogsignal wird in den Digitalkomparator--22--gegeben, wo es mit dem digitalen Sollwertsignal verglichen wird. Dieser Vergleich erzeugt ein digitales Abweichungssignal proportional der Differenz zwischen dem Istwertsignal und dem Sollwertsignal.
Das digitale Abweichungssignal wird über den Eingang --24-- auf den Signalumformer --50-- gegeben, wo es in einen Konstantstromimpuls oder in eine Impulsfolge umgewandelt wird, deren Zeitdauer proportional der Grösse der Abweichung ist. Das Abweichungssignal, welches jetzt die Form eines Stromsignals hat, läuft dann durch den Abtastschalter --52-- und in den schnellen Integrator und Speicher --54-- mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit. Vor der Lieferung der Ladung an den Integrator --54-- wird jedoch erst jede darin gespeicherte Ladung durch ein entsprechendes Signal vom Digitalkomparator--22--entfernt. Infolgedessen speichert der Integrator eine Ladung, deren Potential proportional der Grösse des Abweichungssignals ist.
Der Komparatoverstörker --56-- vergleicht das Abweichungssignal am Eingang --58-- mit dem Rückkopplungssignal am Eingang--60-. Wenn eine Differenz zwischen diesen beiden Signalen vorliegt, wird der Nullsensor --70--- den Schalter --64- geschlossen halten, und das Differenzsignal wird in den Solionzellenintegrator-72-gekoppelt. Wenn sich die Ladung in der Solionzelle verändert, wird sich die Amplitude des Rückkopplungssignals zum Eingang --60-- der
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Wenn überhaupt, dann wird nur eine kleine Ladung infolgedessen vom Integrator --54-- entfernt werden, wodurch die Spannung der Ladung praktisch konstant bleibt, bis ein Gleichgewichtszustand hergestellt ist. Das Ausgangssignal vom Strom-Spannungs-Umformer--74--wird dann durch den Spannungs-Strom-Umformer-76--, durch den Schalter --42-- und auf das Stellglied-18gelangen. Das nächste Mal, wenn der Digitalkomparator-22-das analoge Signal vom Messglied --16-- abnimmt, wird der schnelle Kondensatorintegrator--54--erneut gelöscht und aufgeladen, wodurch der vorangegangene Vorgang wiederholt werden kann.
Es ist zu bemerken, dass das Signal des Zweiges--26--einem Integral des Abweichungssignals entspricht. Infolgedessen wird das auf das Stellglied--18--gelieferte Stellsignal eine verhältnismässig allmähliche Änderung in der Grösse der an der Regelgrösse vorgenommenen Veränderung bewirken. Das im Zweig--28--erzeugte Steuersignal wird jedoch der Abweichung direkt proportional sein und infolgedessen eine wesentlich abruptere und schnellere Änderung im Stellsignal erzeugen. Obwohl beide Regelarten für gewisse Arten von Vorgängen geeignet sind, hat es sich unter einigen Bedingungen als zweckmässig erwiesen, ein Stellsignal zu schaffen, welches teilweise der Abweichung direkt proportional und teilweise dem Integral der Abweichung proportional ist.
Unter diesen Umständen wird der Ausgang des Strom-Spannungs-Umformers--74--mit einem Eingang des Spannungs-Strom-Umformers - über einen Schalter--80--verbunden. Wenn dieser Schalter --80-- schliesst, werden sowohl das integrale Stellsignal als auch das proportionale Stellsignal auf den Spannungs-StromUmformer--40--gegeben, wie sie sich in bestimmten vorbestimmten Anteilen kombinieren. Indem der bewegliche Kontakt des Schalters --42-- auf den festen Kontakt --44-- bewegt wird, wird dieses Kombinationssignal auf das Stellglied --18-- gegeben.
Nach einer andern Möglichkeit kann ein Schalter --82-- vorgesehen sein, um den Ausgang des Schalters-64--im Zweig-28-mit dem Eingang des langsamen Integrators --36-- im Zweig - -26-- zu verbinden. Dadurch kann der Zweig --28-- ein Rückkopplungssignal des Ausgangssignals zum Eingang --60-- erzeugen, um die Solionzellen in beiden Integratoren-36 und 72-mit Strommengen zu laden, welche der Grösse der Abweichung entsprechen. Demnach wird die Solionzelle --36-- proportional zum Abweichungssignal und zum Integral des Abweichungssignals geladen.
Es ist demnach zu sehen, dass eine Regeleinrichtung geschaffen wurde, welche die Grösse der Regelabweichung ermitteln und Stellsignale liefern kann, die das Stellglied betätigen, um die Abweichung auf eine Mindestgrösse zu verringern.
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Digital control device, in particular control device for the speed of a flowing medium
The invention relates to a digital control device, in particular a control device for the speed of a flowing medium, in which a composite analog manipulated variable is obtained in successive measuring periods after a comparison of the actual value with the nominal value by means of transmission devices.
Many industrial processes include numerous different controlled variables that must be controlled simultaneously with a high degree of accuracy. Such methods are often carried out automatically using control devices which monitor all of these quantities and keep them at predetermined levels. In some types of control systems, a separate signal is received from each controlled variable. This actual value signal, which is proportional to the value of the variable, is compared with a reference or setpoint signal which is proportional to that value of the variable at which the variable is to be kept.
The difference between the actual value and the setpoint signal, i.e. H. The so-called control deviation, after further processing, results in a manipulated variable which indicates the extent of the correction, if one is necessary, which is required to restore the correct level of the controlled variable.
In control devices of this type, the actual value signal and the nominal value signal are often converted into digital signals which contain a number or an arrangement of discrete pulses which represent the size of the respective signal. The two digital signals are then compared, with pulses being added or subtracted from one of the signals until this signal is equal to the other signal. The number of added or subtracted pulses is equal to the difference between the two signals and forms the control deviation. After appropriate further processing, the control deviation is used to actuate an actuator such as a proportional valve, etc., in order to change the controlled variable until the control deviation is reduced to zero, whereby the controlled variable is kept at the correct level.
Normally, such actuators are not able to respond to digital signals and therefore have to be actuated by analog signals. The control deviation, which is present as a digital signal in the case under consideration, is also of a transitory nature and disappears before the actuator can respond to the manipulated variable obtained from the control deviation and make the desired setting. As a result, it is normally necessary to convert the digital control deviation into an analog manipulated variable which is suitable for actuating an actuator, and to maintain the analog manipulated variable for a sufficient time to actuate the actuator.
In a signal converter that has already been proposed, the digital control deviation is converted into a single pulse which has a duration proportional to the size of the deviation. This selected pulse is then integrated by a slow integrator, such as a Solion cell, in order to generate an analog manipulated variable. The resulting control is partly a function of the size of the deviation and partly a function of the size of the time in which this deviation was present, i.e. H. the manipulated variable is an integral of the control deviation. In the case of an abrupt
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If the size of the deviation changes, the manipulated variable does not change abruptly in proportion to it.
Instead, the manipulated variable gradually builds up to a value that corresponds to the size of the deviation.
This form of control action is well suited for some types of industrial processes, and particularly for processes involving a time delay and gradual change in the
Controlled variables are desired. For some types of procedures, however, it is useful to use the values of the
Always adjust the manipulated variables to the reference or setpoint value, etc. or independent of the speed of any changes in the controlled variables. As a result, the manipulated variable is changed in direct proportion to the size of the deviation and independently of the time.
The aim of the invention is now to combine these two types of control in an optimal way. This is achieved according to the invention in the case of the digital control device described in more detail at the outset in that bipolar signal converters are provided as transmission devices that can be connected in parallel and supply a proportional or integral manipulated variable component, which are followed by storage stages with possibly different rise and fall time constants, and that the output of these storage stages with energy-converting Storage stages is connected, which are provided with a feedback used to limit the excess or minimum current.
According to an expedient embodiment of the invention, the energy-converting storage stages are formed by current-integrating Solion cells, which are followed by current and voltage converters.
The invention will now be described in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing in the form of a block diagram.
The digital control device according to the invention can be used in particular in a control arrangement in which a large number of controlled variables must be individually controlled in some predetermined relationship. The control arrangement --12-- contains separate measuring elements for determining the actual values and separate actuating elements for controlling the controlled variables.
For example, one of the controlled variables in the process can be the flow rate of a liquid or gaseous medium through a pipeline --14--. A measuring element-16- determines the flow speed through the pipe - 14 - and generates an actual value signal proportional to the speed. An actuator in the manner of a valve --18-- is provided in line -14 in order to regulate the flow rate proportionally to the size of a manipulated variable supplied to the actuator.
The measuring element - 16 - together with all the other measuring elements, which monitor the other controlled variables in the process, are connected to various inputs --20-- of a digital comparator - 22 -.
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Several measuring elements are scanned in succession or several actual value signals are compared with the corresponding setpoint signals to generate separate control deviations at the outputs - for each controlled variable. Each of the outputs --23 - is connected to a separate output device - 10 - in which the control deviation is processed further and from which a manipulated variable is supplied to the actuator - 18 -.
This creates a separate closed loop for each controlled variable, whereby each controlled variable is kept at its corresponding level. The digital comparator - 22 - can be of any type desired. In the present case, however, it is practically identical to an already proposed control device.
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The measuring element generates an analog signal proportional to the actual value of the monitored controlled variable. The comparator --22-- then converts each of these analog signals into a digital signal and compares it with a corresponding digital setpoint signal.
If there is a difference between the two signals, pulses are digitally added or subtracted from one of the signals until the two signals are equal. The number of pulses that are added or subtracted is equal to the original difference between the two signals and therefore equal to the control deviation. Accordingly, each of the deviation signals of the comparator consists of a series or sequence of periodic voltage pulses. Each pulse is of equal importance, whereby the total number of pulses or the duration of the pulse train is proportional to the size of the deviation. The polarity of the pulses in the sequence shows whether the deviation is positive or negative.
A separate output device --10-- is provided for each of the controlled variables to be monitored; Each output device - 10 - contains an input - 24 - which is connected to one of the outputs - 23 - of the comparator - 22 - and from there the deviation signals
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Current pulses.
The conversion of voltage pulses into current pulses can be done by any suitable device. So z. B. od a pair of transistors. Components with opposing structures are switched with a common base electrode in order to generate a bipolar current flow due to the appearance of a voltage pulse at the input. The converter - can deliver a separate current pulse for each incoming voltage pulse. With regard to the duration of each current pulse, however, it is expedient if this is equal to the interval between the voltage pulses. As a result, each deviation signal is converted into a single current pulse, the duration of which is equal to the duration of the voltage pulse train.
If the deviation is in one direction, the voltage pulses will be of a first polarity and the current will flow in a first direction. If the deviation is in the opposite direction, then the voltage pulses will have a second polarity and the current will flow in the second direction.
The signal converter --30-- contains a constant current source, which keeps the current intensity constant at its output. Accordingly, regardless of the impedance through which the current flows, or of the voltage across the impedance, the current will be constant, and the integral of the current will be proportional to its duration.
The output of the converter --30-- is connected to a fast integrator --32--, to which it supplies the constant current pulses. Although the signal converter --30-- can be continuously connected directly to the integrator --32--, the control arrangement --12-- in the present case and in particular the comparator - 22 - uses the time division multiplex method for the monitoring to enable a large number of controlled variables. As a result, the signal converter - 30 - and the fast integrator --32-- are connected to each other by a sampling switch --34 ---.
The switch -34- is connected to the comparator -22 via an output -33- in order to receive a synchronized gate signal. The gate signal keeps switch --34-- normally open. However, if the comparator --22-- generates a deviation signal for the controlled variable monitored by the output device --10--, then the gate switching signal closes the switch --34-- for a predetermined time interval. The constant current pulse signal from the converter --30-- will pass through the switch --34-- to the integrator --32-.
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--10-- to be used for output device-10-.
The gain of the various transducers -30 can be varied so that each of the deviation signals can be normalized, whereby the constant current signals for each output device -10- or each control channel have a predetermined maximum value.
The integrator --32-- is used to integrate the current flow in the individual deviation signals. For example, the integrator --32-- contains a capacitor which can store a charge for an extended period of time. The capacitor is connected to the switch - through a low-resistance path, which has a very short charging path
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the current flow into the capacitor is kept constant during the entire signal. As a result, the charge stored in the capacitor and the voltage applied to it is a linear function of the duration of the current pulse from the converter -30-, which is again proportional to the size of the deviation signal.
The output of the fast integrator - 32 - is connected to the input of an integrator - 36 - which accumulates a charge or integrates a current and a proportional one
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can generate continuous output current.
Although the integrator --36 - can be of any desired type, it has been found that a so-called Solion cell is particularly well suited for this purpose. A Solion cell is an electronic component that functions by regulating and monitoring a reversible electrochemical reaction in an electrolytic solution contained in the Solion cell. The reaction used is a so-called redox reaction, in which one or more of the components in the electrolytic solution is oxidized and, due to the accumulating charge, is reduced by the current flowing through the Solion cell. The direction of the reaction is reversible due to the direction of the current.
The electrolytic solution is hermetically sealed in a suitable container. A few
End electrodes are immersed in the electrolyte near the opposite ends of the container. These end electrodes are made of an inert material, such as platinum, and they are not attacked in the electrolyte. A shield electrode and a reading electrode, which are also made of an inert material, are arranged between the end electrodes. These electrodes divide the interior of the capsule into three separate compartments. The screening and reading electrodes are perforated so that the electrolyte and the ions in it can circulate between the compartments.
The compartment between the shield electrode and the first end electrode is generally referred to as the container and forms the largest compartment. The compartment between the reading electrode and the second
The end electrode is generally called the integral compartment. Normally the integral compartment is very small, and an equilibrium distribution of ions in the integral compartment can be relatively short within
Time to be achieved. The compartment between the screening and reading electrodes is used to separate these electrodes from one another. The electrolyte in all compartments contains both oxidized and reduced copies of an ion of the electrolyte.
The ions flow between the container and the integral compartment whenever a current flows between the two end electrodes. The amount of ions transferred is an integral of the
Charging current that has flowed between the end electrodes. When a voltage is applied between the reading electrode and one end electrode, the ions are oxidized on one electrode and reduced to the same extent on the other electrode, whereby a current will flow between the two electrodes. If the voltage between these electrodes is kept somewhere in an extended range of values, then the magnitude of the current flow in the reading electrode is determined solely by the concentration of the ions in the integral compartment. As long as the ion concentration does not change and a voltage is applied to the reading electrode, the current will remain constant.
As a result, the current flowing between the end and reading electrodes is an integral of the current which previously flowed between the two end electrodes. This is a completely reversible process whereby the charging current can flow between the end electrodes in either direction and the output current in the electrode can be increased and decreased due to the fact that the integral of the charging current increases or decreases.
The end electrodes of the Solion cell are connected to the fast integrator - 32 - or the capacitor inside. As a result, if a deviation current pulse occurs at the output of the transducer - 30 - while the switch --34 - is closed, the integrator - 32 - will immediately integrate the current in the pulse. The integrated signal or the stored charge is then transferred from the fast integrator - 32 - to the slow integrator --36 - or the Solion cell in it.
Every time a digital signal is sent from the integrator - 32 - to the integrator - 36 -, the ion concentration in the integral compartment of the Solion cell is changed proportionally to an integral of the current and also to the number of pulses in the original voltage digital signal at the input - -24- were given. The polarity of the original signal determines the direction of flow of current developed through the Solion cell. Since the redox process in the Solion cell is completely reversible, the resulting change in ion concentration will reflect not only the number of pulses in the deviation signal, but also the polarity. It can therefore be seen that by applying a voltage across the reading electrode and one of the end electrodes, an analog current is generated in the reading electrode.
Accordingly, the current from the integrator will last as long as the voltage is applied and it will have an amplitude which corresponds to the integral of the original digital signal.
Usually there is a high degree of linearity between the total charge; H. the integral of the current supplied between the end electrodes, and the current from the
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Reading electrode. However, if the frequency of the current pulses supplied to a Solion cell exceeds a predetermined level, the linearity tends to decrease as the frequency of the current increases further. The fast integrator - 32 - integrates the current in the short one
Time interval during which the deviation signal occurs. The path for discharging the current from the capacitance in the integrator-32- contains a suitable resistor in order to stretch the integration period to an interval which is on the order of time between successive ones
Deviation signals lies.
This puts the frequency of the signal safely in the linear range of a
Solion cell decreased.
The signal from the Solion cell integrator - 36 - is a current the amplitude of which is proportional to the original digital signal supplied to input --24 - and it will stay at that amplitude until a new charge from the fast integrator - 32-- is transmitted. The
However, the amplitude of the current is usually very small and is e.g. B. in the range of 1 mA. To the
Increasing the amplitude of the current signal to a more usable level will become a
Current-voltage signal converter and an amplifier --38-- used.
It is useful to generate an output signal which is a current signal instead of a
Voltage signal is; The amplifier --38-- can be connected to a voltage-current signal converter --40--. This stage -40- can also contain amplification means in order to further increase the signal amplitude.
The output from the amplifier --- 40-- is connected to the actuator --18-- with the aid of a selector switch -42-. If the moving contact of the switch --42-- is on the fixed contact --44--, the control signal is sent from the amplifier --40-- to the actuator -18. The control signal changes the setting of the actuator-18- to influence the controlled system.
If the current signals of the amplifier -40- are used to control an actuator -18, it is often advisable to limit the maximum possible actuating current to a value that does not overload the actuator. In addition, it is also common practice in regulating devices to limit the minimum current to some specific threshold level. As a result, a zero condition will be represented by a current equal to the threshold level and a zero current signal will be an unambiguous indication of a failure or failure.
To create upper and lower limits for the output current, a limiting section - is provided. The limiting section -46- is connected to the output of the current-voltage converter -38-. The limiter -46- receives a signal which is proportional to the integrated signal from the Solion cell in the slow integrator. The output of the limiter -46- is connected to the input of the integrator -36 in order to supply the latter with current. The limiter -46- responds to set limits, and if the signal from the transducer -38- tends to exceed any of the maximum or minimum limits, then the limiter -46- will apply a current to the Solion cell -36- feed back.
This keeps the charge in the cell within certain limits and limits the extremes of the signal supplied to switch --- 42--.
According to the section of the control system described so far, the measuring element will determine the actual value and generate an analog actual value signal. This analog signal is fed into the direct digital comparator-22-where it is compared with a digital setpoint signal. This comparison generates a digital deviation signal proportional to the difference between the actual value and the target value.
The digital deviation signal is supplied to the signal converter - 30 - where it is converted into a constant current pulse with a duration proportional to the size of the deviation. The deviation signal then passes through the scanner switch - 34 - and in at high speed
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the transferred charge and generates a current which is proportional to the integral of the deviation. The time period required to transfer the charge is of the order of magnitude of the interval between successive deviation signals. However, the current of the integrator -36- will last as long as the cell is energized and the charge supplied is not changed.
The current of the integrator -36-then flows through the amplifiers -38 and 40-, the output signal of which is sent via the switch -42- to the actuator -18- to change the controlled variable. Provided that the control signal is within the limits permitted by the limiter -46-, the size of the control signal will gradually build up over a period of time,
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until it is proportional to the deviation. Accordingly, the control signal will be a function of both the size and the duration of the deviation signal: this results in a gradual change in the controlled variable and a time delay in the change.
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--28-- provided, --50-- can essentially be --26-identical to the converter --30-- of the first branch.
The converter --50-- receives the voltage pulses forming the deviation signal and converts them into a current pulse with constant amplitude, the duration of which is proportional to the number of pulses in the deviation signal or the duration of the pulse train.
The output of the signal converter -50- is connected to a second sampling switch -52-, which is essentially identical to the first sampling switch -34-. The switch --- 52-- is connected to one of the outputs --3-- of the digital comparator --2--, the output --33-- opens and closes the switch - 52 - synchronously with the first switch --34-- and during the interval in which the associated signal is present at output --23--.
Accordingly, the constant current signal from the signal converter --50-- is allowed through the sampling switch --52-- only during those intervals in which the digital converter - 22 - generates a deviation signal for the controlled variable detected by the output device --10--.
The output of the sampling switch -52- is connected to a fast integrator, which can receive the constant current pulse generated by the signal converter -50-. This integrator --- 54-- can practically be identical to the integrator --32--, and it contains a capacitor or a similar component which can accumulate all of the charge in the current flow from the converter - 50 -. The charging path for accumulating the charge preferably has a very short time constant to allow charging in less than the time duration of the deviation signal. The voltage of the charge accumulated in the capacitor is proportional to the size of the charge.
As can be seen, this integrator - 54 - differs from the integrator - 32 in the following points: The integrator - 32 - transfers its stored charge to the integrator - - 36 - relatively slowly. As a result, the voltage of the charge in the integrator-32 gradually drops as the charge is transferred from the capacitor. In contrast, it is for the
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which is considerably larger than the capacity of the integrator -32-, whereby the loss of a predetermined amount of charge does not significantly reduce the voltage of the charge.
This creates a "memory" which keeps the voltage of the stored charge at an almost constant
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of the two signals at inputs --58 and 60 - and generates a differential signal at output - -62--. This signal has an amplitude and a polarity which are determined by the difference between the magnitudes of the signals at the two inputs - 58 and 60 - and by the polarity of the difference.
The output-62-of the comparator-amplifier-56-is in connection with the signal input - a combination of switch and constant current source -64-. The switch - 64 - has a gate or control input - 68-- which opens and closes the switch --- 64-- and blocks or allows the signal at the signal input --56-- to pass. The control input --68-- is connected to a suitable signal detector or zero sensor 70.
The zero sensor 70 is connected to the output 62 of the comparator 56 and responds to the size of the difference signal. If there is a difference signal, the zero sensor 70 - will deliver a signal to input --68-- and keep switch --64-- closed. As a result, the difference signal can go through regardless of its size. The switch -64- also contains a constant current source which keeps the output current equal to a constant amount whenever the switch is closed. Accordingly, if a difference signal exists, the current will be independent of the amplitude of the difference signal supplied to the signal input
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prevent.
It can be seen that the comparator --56-- compares the two signals at the two inputs --58 and 60 - and that, if there is a difference signal, the switch --64-- remains closed and the passage of the Difference signal in the form of a constant current signal allowed.
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or prevent current flow from it.
The output of switch --64-- is connected to a slow integrator --72--.
This integrator --72 - integrates the current supplied to it and maintains an output signal whose amplitude is proportional to the integral of the current. Accordingly, this integrator can be - 72 - similar to the slow integrator --36 - in that it also contains a Solion cell. The two end electrodes of the cell are connected to the --64-- switch, which reduces or oxidizes the electrolyte in the cell in proportion to the amount of current flowing through the cell. The reading electrode then generates a continuous output current which is proportional to the total charge delivered by the switch -64-.
The output of the integrator -72- is applied to an amplification device that feeds the signal
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--18-- In particular, it contains a current-voltage converter and amplifier -74 - as well as a voltage-current converter and amplifier -76-. The first amplifier --74 - converts the current signal into a voltage signal and amplifies it to a more usable level. The second
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--76-- is- 78-- of switch --42-- connected. When the movable contact is moved onto the fixed contact -, the signal from the second branch --28 - is supplied to the actuator -18, and it will actuate this and change the controlled variable monitored by the control device.
The output of the current-voltage converter and amplifier -74- is connected to the second input --60-- of the comparator amplifier --56--. It can therefore be seen that part of the output signal reaches the amplifier-56-and with the amplitude of the fast
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--54 --- the accumulated differential signal appear at output --62--. This signal is determined by the zero sensor --70--, which means that a gate signal will keep the switch closed. The difference signal will then pass through switch --64-- in the form of a constant current signal. The current will then flow into the integrator --72--.
When the charge is accumulated in the Solion cell, the amount of current flowing from the output of the cell becomes a function of the polarity of the difference
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Current-voltage converters and amplifiers --74-- convert the changing current signal into an amplified voltage signal, which also has a changing amplitude. Even though
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The changing signal will be equal to the amplitude of the signal at the input -58- and any difference between them will disappear.
The zero sensor --70-- responds to this difference signal and supplies an output or gate signal. When the difference disappears, the zero sensor --70-- will determine this zero state and deliver a gate switching signal which opens switch --64--. When the switch - opens, no new current will flow into the Solion cell, thereby changing its stored charge. As long as switch --- 64-- remains open, the charge will remain constant, and the current of the integrator --72-- will remain constant. The charge transferred into the integrator-72- is fed from the switch -64-. As a result, only a small,
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if any charge is transferred from the fast integrator during the comparison.
If the charge in the integrator --72-- supplies a signal at the input --60 - which is equal to the signal at the input --58--, the charge accumulated in the integrator --72-- is the signal
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--52-- switches on, the measuring element --16-- will generate an analog actual value signal. This analog signal is fed into the digital comparator - 22 - where it is compared with the digital setpoint signal. This comparison generates a digital deviation signal proportional to the difference between the actual value signal and the setpoint signal.
The digital deviation signal is sent via input --24-- to the signal converter --50--, where it is converted into a constant current pulse or a pulse sequence, the duration of which is proportional to the size of the deviation. The deviation signal, which now has the form of a current signal, then runs through the sampling switch --52-- and into the fast integrator and memory --54-- at a relatively high speed. Before the charge is delivered to the integrator --54--, however, each charge stored in it is first removed by a corresponding signal from the digital comparator - 22 -. As a result, the integrator stores a charge whose potential is proportional to the magnitude of the deviation signal.
The comparator amplifier -56- compares the deviation signal at the input -58- with the feedback signal at the input -60-. If there is a difference between these two signals, the zero sensor --70 --- will hold the switch --64- closed, and the difference signal will be coupled into the Solion cell integrator -72-. When the charge in the Solion cell changes, the amplitude of the feedback signal to the input --60-- of the
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As a result, if anything, only a small charge will be removed from the integrator, leaving the voltage of the charge practically constant until a state of equilibrium is established. The output signal from the current-voltage converter -74 - is then passed through the voltage-current converter -76-, through the switch -42- and to the actuator -18. The next time the digital comparator -22- picks up the analog signal from the measuring element -16-, the fast capacitor integrator -54- is again extinguished and recharged, whereby the previous process can be repeated.
It should be noted that the signal of the branch - 26 - corresponds to an integral of the deviation signal. As a result, the control signal delivered to the actuator - 18 - will bring about a relatively gradual change in the size of the change made to the controlled variable. The control signal generated in branch - 28 - will, however, be directly proportional to the deviation and consequently generate a much more abrupt and faster change in the control signal. Although both types of control are suitable for certain types of processes, under some conditions it has proven to be useful to create a control signal which is partly directly proportional to the deviation and partly proportional to the integral of the deviation.
Under these circumstances, the output of the current-voltage converter - 74 - is connected to an input of the voltage-current converter - via a switch - 80. When this switch --80-- closes, both the integral control signal and the proportional control signal are sent to the voltage / current converter - 40 - as they combine in certain predetermined proportions. By moving the moving contact of the switch --42-- to the fixed contact --44--, this combination signal is sent to the actuator --18--.
According to another possibility, a switch --82-- can be provided in order to connect the output of switch - 64 - in branch - 28 - to the input of the slow integrator --36-- in branch - -26--. This allows branch --28-- to generate a feedback signal for the output signal at input --60-- in order to charge the Solion cells in both integrators - 36 and 72 - with amounts of current that correspond to the size of the deviation. Accordingly, the Solion cell --36-- is charged proportionally to the deviation signal and to the integral of the deviation signal.
It can therefore be seen that a control device has been created which can determine the size of the control deviation and can deliver control signals that actuate the actuator in order to reduce the deviation to a minimum size.