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Temperaturregler für ein elektrisches Heizelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizelement, bei dem als Temperaturfühler ein temperaturabhängiger Widerstand in einer Brückenschaltung angeordnet ist, der bei Abweichung der Fühlertemperatur von der Solltemperatur über einen elektronischen Vorverstärker und Relaisverstärker ein Relais betätigt, der den Heizstrom des Heizelements je nach dem Vorzeichen der Abweichung ein-oder ausschaltet, und bei dem ein Hilfswiderstand mittels eines Hilfskontakts des Relais synchron mit dem Hauptstrom eingeschaltet wird.
Es ist also eine Temperaturregeleinrichtung mit einer Kompensationsanordnung in der Form einer Hilfsheizung an sich bekannt, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Messfühlers mit dem gleichen Relais geschaltet wird, mit dem auch die Hauptheizung gesteuert wird.
Von dieser Einrichtung unterscheidet sich die Erfindung insbesondere durch die Verwendung eines Widerstandsmessfühlers an Stelle von Thermoelementen und durch die besondere Ausbildung des Messfühlers in Verbindung mit der Hilfsheizung.
Im einzelnen besteht der Erfindungsgedanke darin, dass bei einer Einrichtung der obigen Art der Hilfswiderstand elektrisch isoliert in der Nähe des Fühlerwiderstandes angeordnet ist und diesen mit einer im Vergleich zum Heizelement kleinen thermischen Zeitkonstanten aufheizt. Hiedurch erst bekommt man eine vollendete Kompensation.
Eine zweckmässige Ausführungsform erhält man dadurch, dass der Widerstandsmessfühler und der
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messfühler wendelförmig und berührungsfrei ineinander bzw. aufeinander gewickelt sind. Auf diese Weise kann die Temperatur des Vorgabewiderstandes unmittelbar auf den Messwiderstand einwirken.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Träger ein zylindrischer Isolierkörper, in dem die ineinander gewickelten Spulen eingeschmolzen bzw. eingebettet sind und der von einer metallischen Füblerhülse hoher Wärmeleitfähigkeit satt umschlossen ist.
Zweckmässigerweise findet zur optischen Temperaturkontrolle eine Anzeigeröhre Verwendung, deren Fluoreszenzfläche mit einem positiven und negativen Anzeigebereich ausgestattet ist.
Der Nachteil einer manuell auszugleichenden Rückführgrösse an dem gewählten Temperaturwert ist erfindungsgemäss dadurch überwunden, dass die Temperaturänderung am Regelobjekt eine unmittelbare Änderung der Temperatur des Vorgabewiderstandes zur Folge hat. Dadurch erfährt die durch den Vorgabewiderstand erzeugte Heizleistung eine kontinuierliche Angleichung des Vorgabewertes über den gesamten Temperaturbereich.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert :
Es zeigen : Fig. l ein Schema des Aufbaues und der Anordnung der Widerstandselemente des er- findungsgemässsn Temperaturreglers in Verbindung mit dem Schaltschema ; Fig. 2 ein Schema des Aufbaues und der Schaltung eines bislang üblichen Temperaturreglers der in Frage stehenden Gattung ; Fig. 3 die räumliche Einheit von Vorgabewiderstand, Widerstandsmessfühler und zugehörigem Träger des Temperaturregelgerätes gemäss Fig. l ;
Fig. 4,4 a und 4 b den von einem bislang üblichen Temperaturregler der in Frage stehenden Gattung gesteuerten Temperaturverlauf bei Einregelung auf verschieden hohe Sollwerte und Fig. 5,5 a und 5 b den von dem erfindungsgemässen Temperaturregler gesteuerten Temperaturverlauf bei Einregelung auf verschieden hohe Sollwerte.
In Fig. l ist das Regelobjekt 1 von einer Heizmanschette 2 umschlossen. Mit 5 und 6 sind Messwiderstand und Vorgabewiderstand symbolisch dargestellt. Der konkrete Aufbau der Widerstandselemente ergibt sich aus Fig. 3. Wie dort ersichtlich, sind Messwiderstand 5 und Vorgabewiderstand 6 auf einem gemeinsamen Träger zu einer räumlichen Einheit vereinigt. Die Vereinigung ist dadurch erreicht, dass Messwiderstand 5 und Vorgabewiderstand 6 auf einem zylindrischen Isolierkörper wendelförmig ineinander bzw. übereinander gewickelt sind. Bei der Ineinanderwicklung verlaufen im Ausführungsbeispiel die wendelförmigen Widerstandsdrähte von Messwiderstand und Vorgabewiderstand berührungsfrei in-
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einander.
Sie sind in dem Isolierkörper eingebettet, der aus Glas oder Keramik besteht. Die aus Träger, Messwiderstand 5 und Vorgabewiderstand 6 gebildete Einheit ist von einer metallischen Fühlerhülse 4 satt umschlossen.
Mit 5'und 6'sind in Fig. 1 die Anschlüsse von Messwiderstand und Vorgabewiderstand bezeichnet.
Die Fühlerhülse 4 ist im Regelobjekt 1 satt eingebettet. Die Netzspannung UN speist über die Relaiskontakte 10"die Heizmanschette 2. Mit der transformierten, niedrigen Vorgabespannung UV ist über den Relaiskontakt 10'der Vorgabewiderstand 6 versorgt. Der Messwiderstand 5 ist in den Reglerstromkreis eingeschlossen, der die Widerstandsbrücke 3, die Anzeigeröhre 7, den Vorverstärker 8, den Relaisverstärker 9 und das Schaltrelais 10 umfasst.
Die Widerstandsbrücke 3 besteht aus dem Sollwerteinsteller 3'und den beiden Brückenwiderständen 3" und 3"'. Die Anzeigeröhre 7 hat zwei Anzeigebereiche, nämlich einen positiven Bereich zur Anzeige von Überschreitungen der Solltemperatur und einen negativen Bereich zur Anzeige von Unterschreitungen des Sollwertes. Die Überschreitungen bzw. Unterschreitungen werden optisch durch unterschiedliche
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:Gleichgewichtsdifferenz in der Widerstandsbrücke 3', 3", ?"' über den Vorverstärker 8 sowie über den
Relaisverstärker 9 sowie das Relais 10 geschaltet. Die Brücke ist durch die neue Sollwerteinstellung ausser
Gleichgewicht. Dies hat zur Folge, dass der Reglerstromkreis geschlossen wird und der Vorgabewider- stand sich in kürzester Zeit auf den neu eingestellten Sollwert aufheizt.
Diese Aufheizung bewirkt, dass der Messwiderstand 5, der mit dem Vorgabewiderstand im innigen Wärmeaustausch steht, ebenfalls als- bald den Sollwert erreicht. In dem Augenblick jedoch, in dem der Messwiderstand die Solltemperatur erreicht hat, befindet sich die Brücke 3', ?",. 3111 wieder im Gleichgewicht. Die Stromkreise des Reglers werden infolgedessen unterbrochen.
In der Zeitspanne zwischen Ein- und Ausschaltung des Regelstromkreises hat das Regelobjekt selbst eine verhältnismässig geringfügige Temperaturaufstockung, beispielsweise auf 1030 C, erfahren. Es besteht daher im Regelobjekt immer noch ein Temperaturdefizit von 7 C.
Da sich der Messwiderstand 5 und der Vorgabewiderstand 6 über die metallische Fühlerhülse mit dem Regelobjekt 2 in intensivem Wärmeaustausch befinden, sinkt die Temperatur in der aus Messwiderstand und Vorgabewiderstand bestehenden Einheit sehr rasch auf die Temperatur des Regelobjektes 2, also auf 103 C, zurück. Dies hat zur Folge, dass die Widerstandsbrücke wieder aus dem Gleichgewicht kommt und der Regelstromkreis sowie der Heizstromkreis über das Relais 10 geschlossen wird.
Der Vorgabewiderstand 6 und damit auch der Messwiderstand 5 wird dadurch erneut auf den Sollwert aufgeheizt. Da bei der zweiten Aufheizung die Temperaturdifferenz zum Sollwert geringer ist, erreicht der Vorgabewiderstand 6 und damit auch der Messwiderstand 5 seine Solltemperatur rascher als bei der ersten Aufheizung. Nach erneuter Trennung von Heizstromkreis und Reglerstromkreis infolge Erreichens des Sollwertes in Vorgabe-und Messwiderstand, erfolgt erneut eine begrenzte Abkühlung von Vorgabewiderstand und Messwiderstand auf die Temperatur des um einen geringen Betrag weiter aufgeheizten, jedoch noch unter dem Sollwert liegenden Regelobjektes. Die erwähnte Temperaturangleichung zwischen Messwiderstand, Vorgabewiderstand und Regelobjekt erfolgt wiederum rascher, weil die Temperaturdifferenz zwischen Sollwert und Regelobjekt geringer geworden ist.
Nach Zurückführung des Wärmepotentials von Vorgabe- und Messwiderstand auf die Temperatur des Regelobjektes 1 ist die Brücke wieder aus dem Gleichgewicht. Der Aufheizungsturnus beginnt erneut. Es ist einleuchtend, dass sich die Aufheizungsperioden zunehmend verkürzen, je mehr sich die Temperatur des Regelobjektes dem Sollwert nähert.
Wesentlich ist bei dem soeben erläuterten Prinzip der Aufheizung, dass eine nennenswerte Überschwingung des Sollwertes nicht mehr stattfindet. Dies gilt sowohl bei der Einregelung von Sollwerten niederen Niveaus als auch bei Einregelung von Sollwerten im hohen Temperaturbereich, wobei in keinem Fall, wie bislang bei den üblichen Systemen, ein RC-Glied als Impulsgeber erforderlich ist.
Die Charakteristik der Aufheizung des erfindungsgemässen Temperaturreglers ist in den Fig. 5,5 a und 5 b im Koordinatensystem dargestellt. Der Sollwert 15'ist in Fig. 5 verhältnismässig hoch, 15", in
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Brücke ins Gleichgewicht kommt und somit der Reglerstromkreis unterbrochen wird.
Die nunmehr verhältnismässig langsam erfolgende Abkühlung des Rückführwiderstandes ist von mancherlei unberechenbaren, variablen Faktoren abhängig (Luftströmung, Wärmestauung usw. am Rückführwiderstand). Infolge-
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dessen ergibt sich bei dem an sich bekannten Regler die aus den Fig. 4, 4 a und 4 b resichtlichen Aufheiz- charakteristik :
Da der Rückführwert 16 als konstanter Wert auf eine mittlere Grösse entsprechend Fig. 4 a eingestellt ist, erfolgt bei niedrigem Sollwert-Niveau entsprechend Fig. 4 b ein beträchtliches Überschwingen über den Temperatursollwert. Anderseits dauert bei hoch eingestelltem Sollwert gemäss Fig. 4 die Zeit bis zum
Erreichen des Sollwertes ausserordentlich lang. Die Temperatursteuerung ist daher in der Periode der
Einregelung unbefriedigend.
Soweit ein RC-Impulsregler Verwendung findet, ist es erforderlich, diesen entsprechend dem Sollwert laufend zu verstellen, da bei gleichem Wert der Rückführgrösse bei niedrigen
Sollwerten ein Überschwingen der Temperatur eintritt und bei höheren Werten das Erreichen der Soll- werttemperatur verzögert wird bzw. unter Umständen sogar bei grosser Wärmeabfuhr ein Erreichen der
Solltemperatur nicht mehr möglich ist.
Nicht zuletzt bedeutet der erfindungsgemässe Aufbau der Widerstandselemente eine wesentliche Ver- einfachung ; denn der bislang erforderliche Rückführwiderstand in der Widerstandsbrücke entfällt.
Messwiderstand und Vorgabewiderstand sind in einer Widerstandseinheit kombiniert.
In vielen Bereichen der Reglertechnik, insbesondere in der Reglertechnik für Spritzgussmaschinen zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe, wird immer mehr eine bessere Beherrschung der Temperatursteuerung im Plastifizierungszylinder angestrebt, zumal die Qualität der erzeugten Spritzlinge zu einem wesentlichen Teil von einer exakten Temperatursteuerung abhängig ist. Diese Bestrebungen erhalten einen besonderen Akzent dadurch, dass die Vielfalt der zu verarbeitenden Kunststoffe immer grösser wird. In vielen Fällen ist es erforderlich, Thermoplasten zu verarbeiten, die nur in sehr engen Temperaturspannen zu verarbeiten sind und auf Temperaturüberschreitungen mit Strukturänderungen reagieren.
Der erfindungsgemässe Temperaturregler stellt daher insbesondere auch in dem genannten Anwendungsbereich einen wesentlichen Fortschritt dar, da er geeignet ist, den Anwendungsbereich der Spritzgiessmaschine zu erweitern und ihre qualitative Leistung zu verbessern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Temperaturregler für ein elektrisches Heizelement, bei dem als Temperaturfühler ein temperaturabhängiger Widerstand in einer Brückenschaltung angeordnet ist, der bei Abweichung der Fühlertemperatur von der Solltemperatur über einen elektronischen Vorverstärker und Relaisverstärker ein Relais betätigt, das den Heizstrom des Heizelements je nach dem Vorzeichen der Abweichung ein- oder ausschaltet, und bei dem ein Hilfswiderstand mittels eines Hilfskontakts des Relais synchron mit dem Hauptstrom eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Hilfswiderstand (Vorgabewiderstand) elektrisch isoliert in der Nähe des Fühlerwiderstands angeordnet ist und diesen mit einer im Vergleich zum Heizelement kleinen thermischen Zeitkonstanten aufheizt.