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Die
Erfindung betrifft einen Laborwärmeofen umfassend
einen zu temperierende Gegenstände aufnehmenden
Korpus sowie mehrere außenseitig um
den Korpus verteilt angeordnete, über eine Programmsteuereinrichtung
ansteuerbare Heizeinrichtungen, eine Stellklappe für die Frischluftzufuhr
in den Korpus und einen Innenlüfter
zur Luftumwälzung im
Korpus.
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Solche
Laborwärmeöfen dienen
dazu, die eingebrachten Gegenstände
gezielt einer bestimmten Temperatur auszusetzen, um beispielsweise
deren Temperaturverhalten zu untersuchen, sie zu brüten oder
dergleichen. Dabei kommt es auf eine möglichst exakte Regelung der
Heizeinrichtungen an, um das Temperaturprofil im Korpus so homogen
wie möglich
zu halten, nachdem auch sehr geringe Inhomogenitäten bzw. Temperaturschwankungen
vor allem bei sensiblen eingebrachten Gegenständen oder Materialien etc.
beachtliche Auswirkungen haben können.
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Zwar
ist es bekannt, um den Korpus herum verteilt mehrere Heizeinrichtungen
vorzusehen, die über
eine gemeinsame Programmsteuerung gemäß einem gewählten Steuerprogramm mit einer
programmspezifischen Heizkennlinie angesteuert werden können. Alle
Heizeinrichtungen werden bei bekannten Wärmeschränken mit der gleichen Stellgröße geregelt.
Im Rahmen der Auslegung des Wärmeschranks
wird die Temperaturverteilung in dem Korpus, also der Heizkammer
nur für
einen Betriebszustand optimiert. Das heißt, unter Verwendung verschiedener
Messsensoren wird im Rahmen der steuerungstechnischen Grundeinstellung
für einen
bestimmten Betriebszustand, also für eine bestimmte gewählte Betriebstemperatur
die Temperaturverteilung und damit ein etwaiger Termperaturgradient
erfasst, die Regelung der Heizeinrichtungen dahingehend optimiert,
dass sich eine möglichst
homogene Temperaturverteilung ergibt, und dieser Regelzustand als
Grund- oder Basiszustand abgespeichert. Für andere Betriebszustände, wenn
also andere Temperaturrampen gefahren werden oder andere Solltemperaturen
gewünscht
werden etc. stellen sich zwangsläufig
Abweichungen von dem der Optimierung zugrundegelegten Betriebszustand
ein, was zwangsläufig
zu Inhomogenitäten
in der Temperaturverteilung führt.
Diese können
regelungstechnisch nicht ausgeglichen werden, nachdem wie beschrieben
alle Heizeinrichtungen über
die gleiche Stellgröße geregelt
werden.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Laborwärmeofen
anzugeben, der es ermöglicht,
auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen bzw. gewünschten
Betriebsarten eine möglichst
homogene Temperaturverteilung in der Heizkammer zu erreichen.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Laborwärmeofen der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Programmsteuerungseinrichtung zur separaten Regelung der
einzelnen Heizeinrichtungen anhand wenigstens einer parameterspezifischen
Steuerkennlinie, die in Abhängigkeit
eines der gewählten
oder eingestellten Parameter Soll-Temperatur und/oder Klappenstellung und/oder
Lüfterdrehzahl
aus einer hinterlegten Steuerkennlinienschar gewählt ist, ausgebildet ist.
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Zur
Regelung ist in der Programmsteuereinrichtung eine Schar unterschiedlicher,
parameterspezifischer Steuerkennlinien hinterlegt, wobei jede Steuerkennlinie
bezüglich
einer bestimmten Betriebsart, die über bestimmte Betriebsparameter
definiert ist, optimiert ist. Als solche die Betriebsart definierende
und einen beachtlichen Einfluss auf die Temperaturverteilung habende
Parameter sind erfindungsgemäß die Soll-Temperatur,
die Stellung der Frischluftklappe und die Umwälzlüfterdrehzahl zu nennen. All
diese Parameter können
vom Benutzer vorab eingestellt werden oder sind bei Auswahl eines bestimmten,
beispielsweise werkseitig vorgegebenen Betriebsprogramms eingestellt.
Je nachdem, welcher Parameter oder welche Parameterkombination nun
konkret gewählt
ist, wählt
die Programmsteuereinrichtung die optimierte Kennlinie aus, die Basis
für die
Ansteuerung der Heizeinrichtungen ist. Diese sind separat ansteuerbar,
das heißt,
jede Heizeinrichtung kann mit einer separaten Stellgröße geregelt
werden, wobei es zweckmäßig ist,
die mehreren Heizeinrichtungen in zwei oder mehr Gruppen zusammenzufassen,
von denen jede separat mit einer unterschiedlichen Stellgröße angesteuert
werden kann. Auf diese Weise lässt
sich eine Zonenheizung bzw. eine Mehrzonen-Regelung mit möglichst
homogener Temperaturverteilung während
der Anheizphase und dem stationären
Betriebszustand erreichen.
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Die
parameterspezifischen Steuerkennlinien können bezüglich nur eines der genannten
Parameter oder bezüglich
einer Parameterkombination aus zwei der genannten Parameter oder
unter Berücksichtigung
aller drei Parameter optimiert sein. Denkbar ist es dabei, für jede Heizeinrichtung
eine eigene parameter- oder parameterkombinationsspezifische Kennlinie
vorzusehen, denkbar ist es aber auch, nur eine Kennlinie vorzusehen,
die dann individuell für die
jeweilige Heizeinrichtung in Abhängigkeit
der gewählten
Parameter optimiert bzw. verändert
wird.
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Aufgrund
des Umstands, dass für
annähernd jeden
gewählten
Betriebszustand wenigstens eine optimierte Kennlinie vorhanden ist,
auf Basis welcher die Heizerregelung erfolgt, ist es möglich, für jeden anwenderseitig
gewählten
Betriebszustand bzw. jede Parameterkombination die Heizeinrichtungen
optimal zu regeln, um eine optimale, homogene Temperaturverteilung
zu erreichen. Die Kennlinienschar kann beispielsweise dadurch aufgenommen
werden, dass unter Verwendung einer Vielzahl von Temperatursensoren
die Temperaturverteilung im Korpusinneren für jede unterschiedliche Parametereinstellung
bzw. Parameterkombination erfasst wird und ausgehend davon ermittelt
wird, wie die optimale Heizerreglung erfolgen muss, um bei eben
dieser Parameterkombination die Temperaturhomogenität sicherzustellen.
Auf diese Weise kann für
jede Einstellung/Kombination die optimale Kennlinie und damit separate
Heizerregelung bestimmt und als Steuerkennlinie abgelegt werden.
Die im Stand der Technik gegebenen Probleme, die aus einer Veränderung
bzw. Abweichung des gewählten
Parametersatzes bzw. der gewählten
Betriebsart von einer der Heizerregelung zugrunde gelegten Basis-Betriebsart
resultieren, sind bei dem erfindungsgemäßen Laborwärmeofen mit besonderem Vorteil
nicht gegeben.
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Um
eine zonenweise Temperaturregelung im Korpus zu erzielen, ist es
zweckmäßig, wenn
im Rahmen der Regelung mehrere Heizeinrichtungen wie beschrieben
gemeinsam bzw. gruppen- oder blockweise ansteuerbar sind. Auf diese
Weise wird dem Umstand Rechnung getragen, dass vor allem bei hohen
Soll- Temperaturen
eine Temperaturhomogenität erreicht
wird, obwohl bei solchen hohen Temperaturen die sich im oberen Ofenraum
ergebenden Wärmeverluste über die
Isolation größer sind
als bei niedrigeren Soll-Temperaturen. Aufgrund der separaten bzw.
gruppen- oder blockweisen Ansteuerung ist es möglich, unter Verwendung einer
optimierten Steuerkennlinie die oberen Heizungseinrichtungen mit
einer anderen Stellgröße als die
unteren anzusteuern, um den sich bei einer Steuerung unter Verwendung
einer gemeinsamen Stellgröße ergebenden
Temperaturgradienten zu vermeiden.
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Als
zweckmäßig hat
es sich erwiesen, wenn dem Boden, der Decke und gegebenenfalls den
Seitenwänden
mindestens zwei oder mehrere separate Heizeinrichtungen zugeordnet
sind, die im Bedarfsfall gruppenweise angesteuert werden können.
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Zweckmäßig ist
es des Weiteren, wenn im Korpus verteilt mehrere mit der Programmsteuerungseinrichtung
kommunizierende Temperatursensoren zur Messung der Ist-Temperatur
vorgesehen sind, wobei die Programmsteuerungseinrichtung zur Anpassung
der Regelung der einzelnen Heizeinrichtungen in Abhängigkeit
der gemessenen Temperaturwerte ausgebildet ist. Diese Temperatursensoren dienen
zur Überwachung
der Temperaturverteilung in der Heizkammer und zur Erfassung eines
etwaigen sich ergebenden Temperaturgradienten. Ein solcher wird
sich in der Regel kaum einstellen, nachdem aufgrund der parameterspezifischen
separaten Heizerregelung die Temperaturführung von Haus aus so gewählt ist,
dass sich eine homogene Temperaturverteilung einstellt. Anders als
im Stand der Technik erfolgt hier keine kontinuierliche Nachregelung
auf Basis der Ist-Temperatur,
um einen im Stand der Technik regelungstechnisch bedingten Temperaturgradienten
im Nachhinein auszugleichen. Vielmehr wird bei dem erfindungsgemäßen Laborwärmeofen
die Steuerung von Haus aus so eingelegt, dass sich ein solcher Temperaturgradient
nicht einstellen kann. Sollte sich dennoch ein Temperaturgradient
ergeben, beispielsweise resultierend aus der Art und dem Temperaturverhalten
der eingebrachten Gegenstände,
von denen beispielsweise Feuchtigkeit abdampft oder dergleichen,
kann dieser Zustand sofort über
die Temperatursensoren erfasst werden und ein etwaiger Temperaturgradient über das
Kammervolumen bestimmt werden. Anhand dieses Temperaturgradienten
kann dann seitens der Programmsteuereinrichtung die Kennlinie angepasst
werden und mithin die Heizerregelung variiert und optimiert werden,
um die Inhomogenität
umgehend auszugleichen. Eine beschickungsabhängige Korrektur ist damit möglich.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Laborwärmeofens, und
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2 ein
Blockschaltbild zur Darstellung der Zonenregelung.
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1 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Laborwärmeofen 1 mit
einem Korpus 2 bestehend aus einem Metallkubus 3, welcher
Korpus 2 eine Heizkammer bildet, in der nicht näher gezeigte
zu temperierende Gegenstände eingebracht
werden können.
Natürlich
weist der erfindungsgemäße Wärmeofen
eine Isolierung um den Korpus 2 sowie ein äußeres Gehäuse und
eine den Korpus 2 schließende Tür auf, diese sind jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit
und weil bekannt nicht näher
gezeigt.
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Ferner
ist eine Programmsteuerungseinrichtung 4 vorgesehen, die
in der Regel am nicht näher gezeigten
Gehäuse
angeordnet ist, der Übersichtlichkeit
halber jedoch hier herausgezogen und vergrößert dargestellt ist.
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Weiterhin
sind im gezeigten Beispiel acht separate Heizeinrichtungen a–h vorgesehen,
wobei jeweils zwei Heizeinrichtungen einer Seitenwand bzw. dem Boden
bzw. der Decke des Korpus 2 zugeordnet sind. Die Heizeinrichtungen
a–h können, wie
dargestellt, über
die Programmsteuereinrichtung 4 angesteuert werden, die
jeweiligen Stellglieder einer Heizeinrichtung, die nicht näher gezeigt
sind, erhalten über
die Programmsteuereinrichtung die entsprechende Stellgröße. Dabei kann
jede Heizeinrichtung separat angesteuert werden, wobei mehrere Heizeinrichtungen
blockweise angesteuert werden können.
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Der
Korpus 2 weist ferner eine Stellklappe 5 auf,
deren Stellung ebenfalls über
die Programmsteuereinrichtung 4 gesteuert wird. Ferner
ist ein Lüfter 6 vorgesehen,
der der Umwälzung
der Luft im Korpusinneren dient und der ebenfalls über die
Programmsteuerungseinrichtung 4 angesteuert wird. Weiterhin
sind im gezeigten Beispiel sechs Temperatursensoren 7 im
Korpusinneren verteilt angeordnet, die der Erfassung der Temperaturverteilung
im Korpusinneren dienen. Diese kommunizieren ebenfalls mit der Programmsteuerungseinrichtung 4.
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Der
Programmsteuerungseinrichtung 4 zugeordnet sind im gezeigten
Beispiel drei separate Wahlschalter, wobei über den ersten Wahlschalter 8 eine
gewünschte
Soll-Temperatur T-Soll eingestellt werden kann. Über den Wahlschalter 9 kann
eine Umdrehungszahl des Lüfters 6 eingestellt
werden, was durch „U-Lüfter" dargestellt ist.
Der Wahlschalter 10 dient zur Bestimmung der zuzuführenden
Frischluftmenge und damit zur Stellung der Frischluftklappe 5,
dargestellt durch „x-Klappe".
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Ferner
gezeigt ist ein Speicher 11, in dem eine Steuerkennlinienschar
umfassend eine Vielzahl einzelner Steuerkennlinien K, die bezüglich eines oder
mehrerer der Parameter Soll-Temperatur, Lüfterdrehzahl, Klappenstellung
aufgelöst
bzw. spezifisch sind, hinterlegt ist. Diese einzelnen Steuerkennlinien
wurden im Vorhinein unter Einstellung des jeweiligen Parameters
beim Betrieb des Ofens unter Erfassung der Temperaturverteilung
im Korpus bestimmt und solange optimiert, bis sich unter Verwendung
der jeweiligen Steuerkennlinie eine homogene Temperaturverteilung
für den
eingestellten Betriebszustand ergibt. Über die einzelnen Steuerkennlinien erfolgt
die Ansteuerung der einzelnen Heizeinrichtungen a–h.
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Im
Betrieb wird nun der eingestellte Temperatur-Sollwert T-Soll, die
eingestellte Lüfterdrehzahl U-Lüfter und
die eingestellte Klappenstellung x-Klappe von der Programmsteuerungseinrichtung
erfasst. Unter Berücksichtigung
dieser individuell eingestellten Parameter wird nun diejenige Steuerkennlinie
K aus der Kennlinien schar ausgewählt,
die bezüglich dieser
Parameterkombination vorab bestimmt wurde oder ihr am nächsten kommt
und die optimierte Ansteuerung der Heizeinrichtung a–h ermöglicht.
Diese Steuerkennlinie wird der nachfolgenden Betriebssteuerung zugrunde
gelegt. Bei einer solchen Steuerkennlinie K kann es sich um eine
beliebige Rampensteuerung oder dergleichen handeln.
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Wie 1 ferner
zeigt, verarbeitet die Programmsteuerungseinrichtung 4 auch
die Signale der einzelnen Temperatursensoren 7, wie durch
das Symbol T-Sensor angegeben ist. Über diese Temperatursensoren 7 kann
die Homogenität
der Temperaturverteilung im Korpus 2 überwacht werden. Ergibt sich
hieraus ein geringer Temperaturgradient, wird dies seitens der Programmsteuerungseinrichtung 4 erkannt
und eine entsprechende Anpassung der gewählten Steuerkennlinie K unter
Berücksichtigung des
ermittelten Temperaturgradienten ermittelt und vorgenommen. Im Rahmen
dieser Anpassung kann beispielsweise die eine oder andere Heizeinrichtung oder
die eine oder andere Heizeinrichtungsgruppe mit einer variierten
Stellgröße angesteuert
werden, um den Gradienten auszugleichen.
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2 zeigt
in Form einer Prinzipskizze ein Blockschaltbild, das einen grundsätzlichen
möglichen
Regelungsablauf darstellt.
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Die
Eingangsgrößen der
Programmsteuerungseinrichtung für
die Mehrzonen-Temperaturregelung
sind wie bereits beschrieben die Ausgangssignale der einzelnen Temperatursensoren 7,
je nachdem, wie viele solcher Sensoren vorgesehen sind. Das zweite
Eingangssignal ist die eingestellte Soll-Temperatur T-Soll. Das
dritte Eingangssignal ist die eingestellte Lüfterdrehzahl U-Lüfter. Das
vierte Eingangssignal ist die eingestellte Luftklappenstellung x-Klappe.
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Die
Programmsteuerungseinrichtung verarbeitet diese Eingangsgrößen und
wählt aus
der Kennlinienschar die entsprechende Steuerkennlinie K, die zu
dieser Parameterkombination bestimmt und optimiert wurde, aus und
ermittelt anhand dieser Steuerkennlinie die einzelnen Stellgrößen für die jeweiligen
Heizzonen. Diese Heizzonen I–VI
sind in 1 dargestellt. Das Korpusvolumen
ist im gezeigten Beispiel in insgesamt sechs einzelne Heizzonen aufgeteilt,
wobei jeder Heizzone eine bestimmte Heizeinrichtungsgruppe zugeordnet
ist. Wie gezeigt werden anhand der ermittelten Stellgröße zur Heizzone
I die Stellglieder der Heizungen a, b und c entsprechend angesteuert.
Entsprechend werden für
die Heizzone II die Heizeinrichtungen b, c und d angesteuert, etc.
Auf diese Weise kann eine zonenbezogene individuelle Beheizung erfolgen.