DE3308099A1

DE3308099A1 - Verfahren zur drahtlosen uebertragung der stellgroesse in einem geschlossenen regelkreis und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3308099A1
Application number: DE19833308099
Authority: DE
Inventors: Helmut 6331 Schöffengrund-Schwalbach Hund
Original assignee: HELMUT HUND KG
Current assignee: HELMUT HUND KG
Priority date: 1983-03-08
Filing date: 1983-03-08
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3308099C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Uber-
tragung der Stellgröße bzw. Regelgröße in einem geschlossenen Regelkreis, insbesondere zur Regelung der Temperatur eines Raumes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei Regelkreisen zur Regelung der Temperatur eines Raumes ist es bekannt, im Raum mindestens einen Temperaturfühler anzuordnen und von diesem Fühler, nach Vergleich des Ist-Wertes x mit einem Sollwert (Führungsgröße w) eine Regelgröße x einem Regler zuzuführen, der eine entsprechende Stellgröße y an ein Heizungsventil weiterleitet, das in diesem Regelkreis das Stellglied bildet.
Derartige Regelkreise können auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Z.B. kann der Fühler stationär angeordnet sein, und die Regelgröße x kann durch eine Drahtverbindung zum Regler übertragen werden.
Ebenso kann der Fühler mit dem Regler eine bauliche Einheit bilden, wobei dann die Stellgröße y drahtgebunden dem Stellglied zugeführt wird.
Diese Systeme haben jedoch den Nachteil, daß sie völlig starr angeordnet sind. Außerdem ist es sehr aufwendig, wenn die Temperatur nicht nur an einer Stelle des Raumes gemessen werden soll, sondern wenn im Raum verteilt mehrere Fühler angeordnet sind, deren Regelgrößen zusammengeschaltet dem Regler zugeführt werden müssen.
Ferner sind Hochfrequenzregelsysteme bekannt, die zwar drahtlos arbeiten, aber den Nachteil haben, daß für ihren Betrieb eine Zulassung durch die fernmeldetechnischen Stellen der Bundespost erforderlich ist.
Außerdem gibt es natürlich noch die bekannten Thermostatventile, die ebenfalls geschlossene Regelkreise darstellen, bei denen aber der Fühler mit dem Ventilaggregat baulich vereinigt ist. Letzteres bewirkt, daß die Temperatur nur in unmittelbarer Nähe des Heizkörpers gemessen wird.
Für entfernter liegende Raumecken müssen bei der Sollwertvorgabe entsprechende Zuschläge gemacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, all diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur drahtlosen Regelung eines Stellgliedes anzugeben, bei dem der Fühler nicht stationär angeordnet und auch nicht über besondere Zuleitungen mit dem Regler bzw. dem Stellglied, vorzugsweise dem Ventil eines Heizkörpers oder dem Lüfter eines Elektroheizers,verbunden ist.
Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren gelöst, das den in den Ansprüchen angegebenen Verfahrensschritt umfaßt.
Dieser Verfahrensschritt besteht darin, entweder die Stellgröße y oder die Regelgröße x durch modulierte IR-Strahlen zum Stellglied bzw. zum Regler zu übertragen. Bei diesen modulierten IR-Strahlen handelt es sich um Strahlen, die mittels eines Oszillators in einer bestimmten Frequenz moduliert sind. Eine solche Frequenz könnte z.B.
30 kHz sein. Andere Frequenzen sind ebenfalls anwendbar, je nach örtlichen Verhältnissen und praktischen Bedingungen. Die Modulation kann auch als sogenannte Pulscodemodulation mit der eben erwähnten Trägerfrequenz erfolgen.
Die Modulation hat quasi einen Verschlüsselungseffekt und bewirkt, daß nicht IR-Strahlen, die von anderen Lichtquellen ausgehen (z.B. Glühlampen etc.) störend in den Regelkreis eingreifen können.
Zusätzlich wird noch vorgeschlagen, die modulierten IR-Strahlen nicht kontinuierlich auszusenden, sondern dieselben zu takten. Darunter ist zu verstehen, daß die IR-Strahlen, welche die Stellgröße y bzw. die Regelgröße x übertragen, nur während einer relativ kurzen Zeitspanne ausgesendet bzw. abgegeben werden und da.nach eine -vergleichsweise längere - Pause eintritt. Z.B. kann die Sendezeit größenordnungsmäßig im Bereich von etwa 0,1 -1 Sekunde liegen, während die Pause ca. 0,1 - 1 Minute lang sein kann.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfaßt einen Fühler für die Regelgröße x, einen Vergleicher dem ein Sollwertgeber zugeordnet ist, und dem ein Verstärker nachgeschaltet ist, eine Modulierstufe mit Treiberstufe und eine IR-Sendediode am Ausgang dieser Treiberstufe.
Der Empfänger besteht aus einer IR-Empfangsdiode mit nachgeschaltetem Vorverstärker plus Dekoder, eventuell einem Vergleicher mit Sollwertgeber, einer Halteschaltung und einer Endschaltstufe, an deren Ausgang das Stellglied liegt.
Das erfundene Regelverfahren überwindet die oben geschilderten Nachteile der Regelverfahren nach dem Stand der Technik in hervorragender Weise. Vor allem ist der Fühler nicht stationär angeordnet, sondern kann an einer beliebigen Stelle des Raumes angeordnet werden. Diese Stelle kann auch frei gewechselt werden, je nachdem welcher Raumbezirk bevorzugt temperaturmäßig geregelt werden soll, sofern eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Raumes eingesetzt wird.
Der Betrieb einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erfordert auch keinerlei fernmeldetechnische Zulassung durch die einschlägigen Behörden, sondern kann völlig genehmigungsfrei benutzt werden.
Der Empfänger des Regelkreises wird zweckmäßigerweise in unmittelbarer Nähe des Stellgliedes anzuordnen sein, um den Ubertragungsweg der Stellgröße auf das Stellglied möglichst kurz zu halten. Für die Raumtemperatur-Regelung wird daher vorgeschlagen, den Empfänger direkt am Heizventil anzubringen, in dem der von den Thermostatventilen her bekannte Kolben in Verbindung mit einer kleinen, vom Empfänger angesteuerten Heizspirale das Stellglied darstellt Es sei noch ausdrücklich bemerkt, daß das erfundene Regelverfahren, obwohl es hier mit starkem Bezug auf die Regelung der Temperatur eines Raumes beschrieben ist, sich im Prinzip auch für alle möglichen anderen geschlossenen Regelkreise eignet. Das wesentlichste Merkmal des erfundenen Regelverfahrens besteht eben darin, daß zur Ubermittlung der Regelgröße x bzw. der Stellgröße y modulierte IR-Strahlen verwendet werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 schematisch das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem geschlossenen Regelkreis zur Beheizung eines Raumes mit IR-Ubertragung der Stellgröße y, Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild wie Fig.1, jedoch mit IR-Ubertragung der Regelgröße x.
Fig. 3 einen Geberbaustein in schematischer, perspektivischer Darstellung, zur Verwendung bei einer Vorrichtung bemäß Fig.1 In Fig.1 ist mit 1 ein Raum bezeichnet, dessen Temperatur mittels eines von einem Ventil V (Stellglied) gesteuerten Heizkörpers HK geregelt werden soll. Dazu werden einerseits ein Fühler 2 mit .nachgeschalteten elektronischen Bauelementen verwendet, die in dem gestrichelt angedeuteten Geberbaustein 3 enthalten sind, und andererseits wird ein Empfangsbaustein 4 benutzt, der mittels der Endstufe 16 das Ventil V aussteuert.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspr.1 (IR-Ubertragung der Stellgröße y) ist am Fühler 2 im Geberbaustein 3 zunächst ein Vergleicher 5 angeschlossen, der ein Potentiometer 5a (Sollwerteingebung) enthält, dessen Spannung zusammen mit der vom Fühler 2 gelieferten Spannung einem Komparator 6 zugeführt wird. Am Ausgang des Komparators steht ein Signal an, das einer Modulierstufe 7 zugeführt wird.
In der Modulierstufe 7 sind ein Modulator 8 und ein Taktgeber 9 enthalten. Am Ausgang der Modulierstufe 7 wird in dem vom Taktgeber vorgegebenen Takt (z.B. 1 s ein, 1 min aus) ein frequenz- bzw. pulscodemoduliertes Signal erzeugt, das über eine Treiberstufe 11 einer IR-LED 12 zugeführt wird. Letztere sendet daher während der Dauer des Taktes moduliertes IR-Licht von beispielsweise 950 nm Wellenlänge aus.
Je nach Komparatorbeschaltung und Modulatoraufbau kann die Stellgröße natürlich mit ein, zwei (1- bzw. 2-Punkt-Regelung) oder beliebig vielen Zuständen (stetige Regelung) durch IR-Licht übertragen werden.
Dieses Licht wird von einer IR-Empfangsdiode 13 aufgefangen, die Teil des Empfangsbausteines 4 ist. Die in der Diode 13 erzeugten Signale werden einem Vorverstärker plus Dekoder 14 zugeführt, der seinerseits das getaktete Signal einer Halteschaltung 15 zuführt. In dieser Schaltung wird der Wert der empfangenen Stellgröße y für die Pausendauer zwischen zwei IR-Sendeimpulspaketen (Takten) zwischengespeichert, bis ein neuer Wert von y empfangen wird.
An die Halteschaltung 15 schließt sich eine Endstufe z.B.
in Form des Schaltrelais 16a mit Kontakt 16b an (1-Punkt-Regelung). Der Kontakt schließt einen Stromkreis 18, durch den die Stellgröße y auf das Ventil V übertragen wird, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Stellglied des Regelkreises bildet. Im Ventil kann z.B. ein den Heißwasserdurchlass steuernder Kolben thermisch oder induktiv verschoben werden. Statt des Ventils kann natürlich auch z.B. ein Elektroheizgerät ein- und ausgeschaltet bzw. durch eine Triac-Steuerung in der Endstufe 16 stetig geregelt werden.
Auf dem durch den Kreisbogen angedeuteten Weg gelangt die vom Heizkörper HK ausgehende Wärmeströmung bzw. -strahlung auf den Fühler 2, so daß der Regelreis geschlossen ist.
In Fig.3 ist der Geberbaustein 3 für die in Fig.1 gezeigte Vorrichtung schematisch in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der gesamte Baustein ist in einem Kästchen 20 enthalten, an dessen Frontseite ein Einsteller 21 für das Potentiometer 5a erkennbar ist, dessen Skala in Temperaturgrade unterteilt ist, vornehmlich natürlich in Celsiusgrade.
Außerdem ist noch eine Schaltuhr 22 zu sehen, mit der der Geberbaustein zu vorgewählten Zeiten automatisch auf einen von dem eingestellten Temperatursollwert verschiedenen Wert umgeschaltet werden kann. Dies kann z.B. für die Nachtabsenkung bei einer Raumtemperaturregelung benutzt werden.
Zwischen dem Einsteller 21 und der Schaltuhr 22 ist der Fühler 2 ereknnbar, und auf der Oberseite des Kästchens 20 befindet sich die Öffnung 20a, hinter der die LED 12 sitzt und die IR-Strahlen aussendet.
Fig.2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspr.2 (IR-Ubertragung der Regelgröße).
In dieser Vorrichtung ist der eigentliche Regler mit Sollwerteinstellung und Vergleicher mit im Empfangsbaustein 41 untergebracht. Im Geberbaustein 31 wird daher lediglich das vom Fühler 21 kommende Signal im Verstärker 101 verstärkt und steuert dann die Modulierstufe 71 und, über die Trei- berschaltung 111, wieder die IR-LED 121 an. Die in der Modulation der IR-Strahlung enthaltene Information bedeutet also bei diesem Verfahren nicht den Wert der Stellgröße, wie bei der Vorrichtung nach Fig.1, sondern den Wert der Regelgröße. Auch hier wird ebenfalls die modulierte IR-Strahlung getaktet.
Im Empfangsbaustein 41 wird das IR-Signal wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit den analogen Teilen Diode 131 und Vorverstärker plus Dekoder 141 empfangen, verstärkt und dekoriert, um dann jedoch einem Vergleicher 51 zugeführt zu werden, an den die Sollwerteingabe mit einem Potentiometer 51a angeschlossen ist. Am Ausgang des Vergleichers 51 steht dann ein der Stellgröße y proportionales Signal an, wenn gerade gesendet wird. Natürlich wird auch hier nachfolgend eine Halteschaltung 151 benötigt, die bis zum Eintreffen des nächsten Sendetaktes die Stellgröße y auf dem letzten Wert hält, der durch die Endstufe 161 (hier als kont.inuierlich steuerbare Phasenschnitt-Schaltung mit Triac dargestellt) wiederum auf das Stellglied, d.h.
auf das Ventil V1 gegeben wird.
Zu der Taktung des IR-Sendesignales sei grundsätzlich noch bemerkt, daß diese gegenüber einem Dauersenden zwei Vorteile hat: Erstens ist die Alterung (d.h. die Abnahme der Strahlungsleistung) der IR-Sendediode wesentlich geringer, als bei dauerndem Senden. Bei einer Sendezeit von z.B. 1 s gegenüber einer Pausenzeit von 1 min (Verhältnis 1:60) ist die Alterung um denselben Faktor geringer. Das bedeutet größere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer.
Zweitens ist der durchschnittliche Stromverbrauch der Sendeeinrichtung ebenfalls um diesen Faktor niedriger als beim Dauersenden. Für alle Sendeimpulse können deshalb ohne weiteres hohe Spitzenströme gewählt werden, was die Reichweite der Ubertragung entsprechend verbessert. Außerdem kann die Stromversorgung mit kleinen, einfachen und preisgünstigen Bauteilen bzw. sogar mit Batterien realisiert werden.
Für die Regelung spielt es in den meisten Fällen keine Rolle, daß die Stellgröße y oder die Regelgrößx nicht ständig, sondern nur kurzzeitig in bestimmten Zeitabständen übertragen wird, wenn eine Halteschaltung vorgesehen ist, die den letzten Wert zwischenspeichert. Denn bei vielen Regelungen, gerade auch bei Raumtemperaturregelungen, ändern sich diese Größen nur ziemlich langsam. Jedoch können durch Verkürzung der Taktzeiten ohne weiteres auch schnellere Regelungen realisiert werden.
Abschließend sei mit besonderem Nachdruck nochmals auf zwei Merkmale des erfundenen Regelungsverfahrens hingewiesen: t. Der Geberbaustein 3 bzw. 31 ist mit dem Empfangsbaustein 4 bzw. 41 in keiner Weise durch Drähte oder sonstige feste Leitungen verbunden. Der Geberbaustein ist frei beweglich und kann an jeder beliebigen Stelle des Raumes aufgestellt werden. Dies ergibt die Möglichkeit ganz gezielt die Temperatur einer bestimmten Stelle des Raumes zu regeln, Wird die Regelung der Temperatur einer anderen Raumstelle gewünscht, so wird einfach das Kästchen 20 umgestellt, ohne daß es dabei irgend eine Schwierigkeit gibt.
2. Es steht völlig im Belieben des Anwenders, welche Größe er mit dem erfundenen Verfahren regeln will.
Das Verfahren und die beschriebenen Vorrichtungen bieten sich zwar an zur Regelung der Temperatur eines Raumes, dies bedeutet aber nicht, daß die Temperatur die einzige Größe ist, die nach dem Verfahren regelbar ist. Nahezu jede andere Größe, wie z.B. Luftfeuchtigkeit, Motorendrehzahl oder was sonst auch immer, kann nach dem Verfahren geregelt werden. Es ist dazu lediglich erforderlich, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend auszubilden.

Claims

Ansprüche Verfahren zur drahtlosen Ubertragung der Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreis, insbesondere zur Regelung der Temperatur eines Raumes, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße y durch modulierte Infrarotstrahlen zum Stellglied übertragen wird.
2.) Verfahren zur drahtlosen Ubertragung der Regelgröße in einem geschlossenen Regelkreis, insbesondere zur Regelung der Temperatur eines Raumes, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße x durch modulierte Infrarotstrahlen zum Stellglied übertragen wird.
3.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stellgröße y bzw. die Regelgröße x übertragenden modulierten Infrarotstrahlen getaktete Impulspakete sind.
4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende tat der IR-Strahlen in den Größenordnungen von ca. 0,1 - 1 s liegt und die dazwischenliegende Pause etwa 0,1 - 1 min lang ist.
5.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a es ist ein Geberbaustein (3) vorgesehen, der die modulierten IR-Strahlen aussendet, und es ist ein Empfangsbaustein (4) vorgesehen, der die ausgesendeten IR-Strahlen empfängt und eine entsprechende Stellgröße y an das Stellglied (V) weitergibt, b der Geberbaustein (3) enthält einen Fühler (2) zur Erfassung der Regelgröße x (Istwert), dem ein Vergleicher (5) in Form eines Differenzverstärkers sowie eine Modulierstufe (7) und eine Treiberstufe (11) nachgeschaltet sind, an deren Ausgang eine IR-Sendediode (12) angeschlossen ist, c der Empfangsbaustein (4) enthält eine IR-Empfangsdiode (13), an die ein Vorverstärker plus Dekoder (14) und über eine Halteschaltung (15) ein Treiber-Baustein (16) angeschlossen sind, der seinerseits mit dem Stellglied (V) verbunden ist.
6.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a es ist ein Geberbaustein (31) vorgesehen, der die modulierten IR-Strahlen aussendet, und es ist ein Empfangsbaustein (41) vorgesehen, der die ausgesendeten IR-Strahlen empfängt und eine Stellgröße y an das Stellglied (V1) weitergibt, b der Geberbaustein (31) enthält einen Fühler (21) zur Erfassung der Regelgröße x (Istwert), die über einen Verstärker (101) die Modulierstufe (71) ansteuert; das entsprechend der Regelgröße x modulierte Signal steuert über eine Treiberstufe (111) die Infrarot-Sendediode an, c der Empfangsbaustein (41) enthält einen IR-Empfänger (131), an den ein Vorverstärker und Dekoder (141) angeschlossen ist; das Ausgangssignal des Dekoders wird in einer Vergleicherstufe (51) mit dem eingestellten Sollwert verglichen, und über eine nachfolgende Halteschaltung (151) und einen Treiberbaustein (161) wird die Stellgröße y an das Stellglied (V1) gegeben.
7.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulierstufe (7;71) zusätzlich zum Modulator (8;81) einen Taktgeber (9;91) enthält, der zyklisch jeweils nur einen kurzen modulierten IR-Sendeimpuls bei relativ langer Zwischenpause erzeugt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des Geberbausteines und des Empfangsbausteines durch eingebaute Batterien erfolgt.
9.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberbaustein und der Empfangsbaustein in Steckdosen einsteckbar sind und die Stromversorgung dieser Bausteine durch das Netz erfolgt.