-
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Steuerung/Regelung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper, wobei der Heizdraht ein Bestandteil eines elektrischen Stromkreises mit einer Spannungsquelle ist.
-
Von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper werden insbesondere zum Isolieren von Gebäuden verwendet. Dazu werden insbesondere geschäumte Materialien verwendet, die bei Einwirkung einer Flamme oder stark erhitzten Werkzeugen nur örtlich verbrennen. Infolge der chemischen und physikalischen Eigenschaften bleibt der Verbrennungsvorgang auf den Ort der unmittelbaren Anwendung der Wärmequelle beschränkt.
-
Geräte zum Schneiden derartiger Kunststoffe mittels elektrisch beheizter Werkzeuge oder Trennelemente sind bekannt. Dabei wird der Heizdraht über einen Transformator mit einem elektrischen Netz verbunden. Der Heizdraht stellt dabei einen elektrischen Widerstand im Stromkreis mit dem Transformator dar. Der Betrieb erfolgt ungeregelt.
-
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur eines Heizdrahts während des Schneidens von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper weitestgehend konstant zu halten.
-
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
-
Die Einrichtungen zur Steuerung/Regelung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper, wobei der Heizdraht ein Bestandteil eines elektrischen Stromkreises mit einer Spannungsquelle, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Temperatur des Heizdrahts während des Schneidens weitestgehend konstant gehalten wird. Dazu ist die Spannungsquelle über einen Leistungsschalter mit dem Heizdraht verbunden. Weiterhin ist ein Sensor zur Erfassung des durch den Heizdraht fließenden elektrischen Stromes mit dem Heizdraht verbunden, an diesen gekoppelt oder ein Bestandteil des Stromkreises. Darüber hinaus ist eine Steuereinrichtung mit dem Sensor und dem Leistungsschalter zusammengeschaltet, wobei der Leistungsschalter mittels Pulsweitenmodulation (PWM) von der Steuereinrichtung gesteuert und die Spannung des Sensors als Ist-Größe der Steuereinrichtung zugeführt wird, so dass damit die dem Heizdraht durch die Spannungsquelle zugeführte Leistung gesteuert/geregelt wird.
-
Die Steuereinrichtung ist dazu ein bekanntes Datenverarbeitungssystem, insbesondere ein bekannter Mikrorechner/Mikrocontroller. Mit diesem erfolgt die Steuerung/Regelung des gesamten Betriebs des Heizdrahts insbesondere bis zum Erreichen der Anfangsbedingungen und während des Schneidvorgangs.
-
Der Heizdraht besteht bekannterweise aus einer hochwarmfesten Nickellegierung. Um einen Körper aus einem geschäumten Kunststoff zu schneiden, ist eine Temperatur des Heizdrahts von beispielsweise größer 200°C notwendig. Dabei fließt ein elektrischer Strom von mehreren Ampere, bei einer Kleinspannung von kleiner/gleich 60 V. Während des Schneidvorgangs sinkt die Temperatur mit einem ungeregelt betriebenen Heizdraht. Dabei kann die Temperatur eine Größe erreichen, wobei der Schneidvorgang nicht weiter oder gehemmt möglich ist. Erst nach Aufheizen durch Herabsetzen der Schnittgeschwindigkeit oder Unterbrechen des Schneidvorgangs kann Letzterer fortgesetzt werden. Daraus resultieren Unregelmäßigkeiten der Schnittgeometrie. Beim Aufheizen bildet sich ein breiterer Schnitt heraus. Es hat sich gezeigt, dass die Änderung des dabei fließenden elektrischen Stromes im Heizdraht kleiner 0,5 A ist. Daraus folgt eine nur geringe Differenz der elektrischen Parameter, um eine konstante Leistung und damit der Temperatur während des Schneidvorgangs zu gewährleisten. Aus dieser Differenz resultiert der relativ geringe zur Verfügung stehende Steuer-/Regelbereich.
-
Die Steuerung/Regelung erfolgt vorteilhafterweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM), wobei der Leistungsschalter entsprechend dem Tastverhältnis und damit der Breite des Signals der Steuereinrichtung basierend auf der Spannung des Sensors geschalten wird. Dabei wird der Heizdraht ständig ein- und ausgeschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, um so höher ist die mittlere Heizleistung. Die Temperatur des Heizdrahts kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen und ergibt so das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation. Der Leistungsschalter wird dabei vorteilhafterweise nur in den zwei Schaltzuständen voll sperrend (kaum Strom, voller Spannungsabfall) oder voll durchgeschaltet (voller Strom, kaum Spannungsabfall) betrieben. Dabei wird möglichst wenig Verlustenergie abgegeben. Der Mittelwert der Spannung wird dabei um das Verhältnis Einschaltzeit/Periodendauer reduziert.
-
Die Spannungsquelle ist beispielsweise ein Akkumulator, ein Schaltnetzteil oder ein Netzteil mit geregelter Ausgangsspannung als Gleichspannungsquelle. Natürlich ist auch eine Wechselspannungsquelle einsetzbar.
-
Vorteilhafterweise wird mit der Einrichtung eine Temperatur am Heizdraht erzeugt, wobei ein glühender Heizdraht vermieden wird. Gleichzeitig steigt dabei die Standzeit des Heizdrahts.
-
Auch dadurch hervorgerufene Gefahren bei Reißen des Heizdrahts werden weitestgehend vermieden.
-
Die Einrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine ökonomische und energieeffiziente Arbeitsweise gegeben ist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
-
Die Regeldifferenz beim Betrieb des Heizdrahts ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus der Spannung des Sensors als Ist-Wert und einer Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle als Führungsgröße gebildet.
-
Nach der Kalibrierung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 die Differenz zwischen Spannung des Sensors und der Referenzspannung einer einstellbaren Referenzspannungsquelle gleich NULL, so dass im Leerlauf die Referenzspannung gleich der Spannung am Sensor ist. Leerlauf bedeutet hierbei nach dem Aufheizen des Heizdrahts bis zur Schnitttemperatur, wobei der Körper nicht geschnitten wird. Damit erfolgt vorteilhafterweise eine Anpassung der Einrichtung an den jeweiligen Heizdraht, wobei die Referenzspannung an diesen angepasst wird.
-
Günstigerweise ist die Referenzspannungsquelle nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein einstellbarer Spannungsteiler mit wenigstens einem Potentiometer.
-
Durch den NULL-Abgleich in der Kalibrierphase ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 am Schleifer des Potentiometers ein der Länge des Heizdrahts äquivalenter Spannungswert vorhanden, wobei dieser Spannungswert mittels der Steuereinrichtung der Länge des Heizdrahts zuordenbar und so eine automatische Drahterkennung realisiert ist. Damit werden gleich bleibende Anfangsbedingungen zum Schneiden der Körper gewährleistet.
-
Das Potentiometer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein von der Steuereinrichtung einstellbares Potentiometer, günstigerweise in Form eines elektronischen Potentiometers.
-
Beim Schneiden ändert sich die Spannung am Sensor und nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ist dabei die Referenzspannung konstant. Die daraus resultierende Differenzspannung aus der Referenzspannung und der Spannung des Sensors ist beim Schneidvorgang ungleich NULL, wobei die Differenzspannung die Regeldifferenz ist. Daraus wird ein diese Regeldifferenz berücksichtigendes Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) in der Steuereinrichtung berechnet und dem Leistungsschalter zugeführt.
-
Die automatische Drahterkennung bestimmt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 den Arbeitspunkt und damit das Start-Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM), wobei im Leerlauf mit Vergrößerung der Länge des Heizdrahts Tein steigt und Taus sinkt.
-
Der Leistungsschalter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit einer Schutzschaltung gegen Überspannungen versehen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine Einrichtung zur Steuerung/Regelung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper,
-
2 eine Einrichtung mit einer Referenzspannung als Führungsgröße und
-
3 eine Einrichtung mit einer Regelschleife.
-
Eine Einrichtung zur Steuerung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts 4 beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper besteht im Wesentlichen aus einer Spannungsquelle 1, einem Leistungsschalter 2, einem Sensor 3 zur Erfassung des durch den Heizdraht 4 fließenden elektrischen Stroms und einer Steuereinrichtung 5.
-
Die 1 eine Einrichtung zur Steuerung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts 4 beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper in einer prinzipiellen Darstellung.
-
Der Heizdraht 4 ist ein Bestandteil eines elektrischen Stromkreises mit der Spannungsquelle 1 und dem Leistungsschalter 2.
-
Die Spannungsquelle 1 ist eine Gleichspannungsquelle in Form eines Akkumulators, eines Schaltnetzteils oder eines Netzteils, letztere jeweils mit einer geregelten Ausgangsspannung.
-
Der Heizdraht 4 besteht bekannterweise aus einer Nickellegierung, beispielsweise NiCr15Fe7TiAl. Letztere besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 20°C von 1,21 Ohmmm2/m. Der Strom-/Spannungsverlauf dieses Heizdrahts 4 ist annähernd linear.
-
Die Spannungsquelle 1 ist über den Leistungsschalter 2 mit dem Heizdraht 4 verbunden. Am Heizdraht 4, mit diesem verbunden oder als Bestandteil des Gleichstromkreises ist der Sensor 3 zur Erfassung des durch den Heizdraht 4 fließenden elektrischen Stromes verbunden oder gekoppelt.
-
Die Steuereinrichtung 5 ist mit dem Sensor 3 und dem Leistungsschalter 2 so zusammengeschaltet, dass der Leistungsschalter 2 mittels Pulsweitenmodulation mit der Spannung des Sensors 3 als Ist-Größe und damit die dem Heizdraht 4 durch die Spannungsquelle 1 zugeführte Leistung gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 5 ist ein bekanntes Datenverarbeitungssystem insbesondere ein Mikrorechner/Mikrocontroller.
-
Während des Schneidvorgangs erhöht sich der fließende elektrische Strom während der Eintauchphase des Heizdrahts 4 in den Körper. Der Stromfluss ändert sich nach einer bestimmten Schnitttiefe abrupt, wobei sich die elektrische Spannung kaum ändert. Dabei sinkt allerdings die Temperatur durch Wärmeübergänge in den Körper und der Umgebung. Der Schneidvorgang ist gehemmt, so dass erst nach einer erneuten Aufwärmung des Heizdrahts 4 bei langsam fallenden fließenden Strom der Schneidvorgang fortsetzbar ist. Dieser Vorgang tritt natürlich nur bei entsprechend dicken Körpern auf.
-
In einer ersten Ausführungsform ist die Regeldifferenz aus der Spannung des Sensors 3 als Ist-Wert und einer Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle 6 als Führungsgröße gebildet ist.
-
Die 2 zeigt eine Einrichtung mit einer Referenzspannung als Führungsgröße in einer prinzipiellen Darstellung.
-
In einer zweiten Ausführungsform ist die Differenz gebildet aus der Spannung des Sensors 3 und der Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle 6 nach der Kalibrierung gleich Null, so dass im Leerlauf während des Aufheizens ohne Schnittwirkung die Referenzspannung gleich der Spannung am Sensor 3 ist.
-
Dazu ist die Referenzspannungsquelle 6 ein einstellbarer Spannungsteiler mit einem Potentiometer 7, insbesondere in Form eines elektronischen Potentiometers. Damit ist durch den NULL-Abgleich in der Kalibrierphase am Schleifer des Potentiometers 7 ein der Länge des Heizdrahts 4 äquivalenter Spannungswert vorhanden, wobei dieser Spannungswert mittels der Steuereinrichtung 5 der Länge und dem Material des Heizdrahts 4 zuordenbar ist. Damit ist eine automatische Drahterkennung realisiert.
-
Das Potentiometer 7 ist dazu vorteilhafterweise 7 ein von der Steuereinrichtung 5 einstellbares Potentiometer 7.
-
Die Ermittlung der Differenz erfolgt vorteilhafterweise mit dem internen Analog-Digital-Wandler des Mikrorechners als Steuereinrichtung 5. Natürlich ist dazu auch ein externer Analog-Digital-Wandler einsetzbar.
-
Die 3 zeigt eine Einrichtung mit einer Regelschleife in einer prinzipiellen Darstellung.
-
Die Verwendung von verschieden langen Heizdrähten 4 in der Einrichtung setzt eine automatische Erkennung oder Unterscheidung in der Software der Steuereinrichtung 5 voraus. Dies gilt zum Einen für die Kalibrierphase und zum Anderen für die Berechnung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation in der Steuereinrichtung 5 also der Regelphase. Der Automatismus ist notwendig, da sich der Widerstand des Heizdrahts 4 mit einer größeren Länge erhöht und sich die Temperatur bei gleichen Spannungsverhältnissen verringert.
-
Da in der Kalibrierphase mit dem elektronischen Potentiometer 7 der NULL-Abgleich am differentiellen Analog-Digital-Wandler des Mikrorechners realisiert wird, stellt sich am Schleifer des elektronischen Potentiometers 7 genau dieser jeweilige Spannungswert ein. Damit ist demzufolge eine Unterscheidung treffbar, welcher Heizdraht 4 an der Einrichtung betrieben wird. Damit wird die Zeit zur Erreichung der Betriebstemperatur des Heizdrahts 4 vor Beginn des Schneidens bestimmt.
-
In der Regelphase erfolgt die Berechnung des Tastverhältnisses der PWM in Abhängigkeit des angeschlossenen Heizdrahts 4. Dabei wird durch die Steuereinrichtung 5 das Start-Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bestimmt, wobei im Leerlauf mit Vergrößerung der Länge Tein steigt und Taus sinkt.
-
Das Start-Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation fließt für den jeweiligen Arbeitspunkt und die Skalierung der ermittelten Abweichung von der Referenzspannung und damit dem ADC-Referenzpunkt in die Berechnung des neu zu setzenden Tastverhältnisses ein.
-
Der Leistungsschalter 2 ist in einer weiteren Ausführungsform mit einer Schutzschaltung gegen Überspannungen versehen.
