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Verfahren zur Ofenregelung Die Erfindung bezieht sich auf die Temperaturregelung
von Öfen, bei denen als Meßfühler Strahlungsempfänger, also z. B. Pyrometer, oder
auch Thermoelemente benutzt werden.
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Zur Temperaturregelung von Öfen werden je nach der vorgesehenen Maximaltemperatur
verschiedenartige Meßfühler benutzt. Bei niedrigen Temperaturen und bei Temperaturen
bis etwa 600° C können Thermoelemente bekannter Zusammensetzungen für kurze Meßzeiten
verwendet werden. Mit dem Einsetzen einer leicht meßbaren Wärmestrahlung, also etwa
ab 600° C, werden als Meßfühler oft Strahlungsempfänger, also vorwiegend Pyrometer,
eingesetzt, die den großen Vorteil haben, daß für sie keine obere Benutzungstemperatur
vorhanden ist.
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Als Grundlage für die nachstehenden Ausführungen ist in den Fig.
l a, 1 b das Schema einer bekannten Temperaturregelung gezeigt, wobei in
Fig. 1 a als Meßfühler ein Thermoelement, in Fig. 1 b ein Strahlungsmesser benutzt
wird, Fig.2a, 2b das Schema einer Temperaturregelung gemäß der nachstehend beschriebenen
Erfindung dargestellt, wobei in Fig. 2 a als Meßfühler ein Strahlungsempfänger,
in Fig.2b ein Wärmefühler, also ein Tbermoelement od. dgl., benutzt wird, Fig. 3a,
3b ein Ausführungsbeispiel für einen Ofen, dessen Temperatur entsprechend der nachstehend
beschriebenen Erfindung geregelt wird.
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An Hand der Fig. l a, 1 b werden zunächst die bekannten Anordnungen
beschrieben, von denen die Erfindung ausgeht.
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Der Ofenraum 1 ist durch die ihn umgebende Isolierung 2 weitgehend
gegen Wärmeverlust an die Temperatur T" der Umgebung geschützt. Er wird durch die
Heizung 3, z. B. einen Heizwiderstand, auf die Temperatur To aufgeheizt. Dabei befindet
sich die Heizung 3 auf einer Temperatur T,. Für diese beiden Temperaturen gilt T1
J To. Die Temperatur To wird durch den Meßfühler 4 überwacht, der aus einem Thermoelement
od. dgl. besteht. Der Meßfühler ist durch die Trennwand 2a vor der direkten Strahlung
der Heizung 3 geschützt und die Leitung 5 mit dem meist kontinuierlich arbeitenden
Regler 6 verbunden, der in bekannter Weise Verstärker, Relais, Schaltschütze usw.
enthält, in den meisten Fällen durch die Leitung 7 vom Wechselstromnetz her gespeist
wird und vor allem über die Leitung 8 die Heizung 3 entweder selbst mit elektrischer
Energie versorgt oder die Energiezufuhr 9 z. B. über ein Schaltschütz 10 regelt,
also die Stromzufuhr in der Zuleitung 8 a auf einen passenden Wert einstellt.
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Die Fig. 1 a zeigt eine solche Regelung für einen Meßfühler 4, der
in einem Thermoelement besteht, das die Durchschnittstemperatur des Ofeninnern mißt.
In Fig. 1 b ist der Meßfühler 4a ein Pyrometer, das sich außerhalb des Ofenraumes
befindet und durch ein kleines Fenster 4 b den Teil 4 c der Innenwand anvisiert,
also über die- Temperatur dieses Wandteiles (oder auch beispielsweise des dort befindlichen,
zu erhitzenden Gutes) die Ofentemperatur mißt. Dadurch wird die von der Wand oder
dem zu erhitzenden Gut erreichte und also die für den gewollten Zweck wichtige Temperatur
als Ausgangspunkt für die Regelung benutzt und meist auch an einem Anzeigegerät
6a, das mit dem Regler 6 verbunden ist, angezeigt.
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Der Ofenraum 1 besitzt bei vielen Industrieöfen eine relativ große
Wärmekapazität, folgt also z. B. einer Erhöhung der Temperatur T1 der Heizung 3
nur langsam nach. Das hat oft zur Folge, daß der Regler 6 die Temperatur T1 der
Heizung 3 sehr stark hinauftreibt, so daß nach einer gewissen Zeitspanne die Temperatur
To des Ofenraumes 1 über den eingestellten und gewünschten Temperaturwert hinausgeht
und dadurch zu Schwankungen der Temperatur To um den gewünschten Temperaturwert
führt.
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Diesen Nachteil hat man schon lange beobachtet und durch besondere
Maßnahmen oder Einrichtungen abzustellen gesucht. Ein sehr kostspieliger Weg ist
dabei die bekannte Benutzung eines kleinen Modellofens zur schnelleren Beurteilung
der nötigen Regelmaßnahmen.
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Ein wesentlich einfacherer und seit langem bekannter Weg ist die sogenannte
Rückführung, die unter der Bezeichnung »Gegenkopplung« auch in der Rundfunktechnik
benutzt wird. Sie besteht darin, daß dem Regelkreis eine Leitung 11 mit einem Rückführungsregler
12 hinzugefügt wird, der einen Teil der
Steuerspannung aus den Leitungen
8 oder 8a abnimmt und über die Leitung 13 wieder den Eingang des Reglers 6 zuführt.
Dabei ist die Schaltung so beschaffen, daß die Rückführungsgröße, die durch die
Leitung 13 in den Eingang des Reglers 6 gelangt, gegenüber der Meßgröße, die der
Meßfühler 4 bzw. 4a über die Leitung 5 an den Regler 6 gibt, das umgekehrte Vorzeichen
hat und einen festen Bruchteil, beispielsweise 20 oder 50°/o von ihr, beträgt. Dadurch
wird einerseits die Charakteristik des Reglers 6 geradliniger gemacht, und vor allem
werden größere Schwankungen der Temperatur To des Ofenraumes 1 vermieden. Diese
Regelung hat aber den Nachteil, daß sie die Wirksamkeit des Reglers 6 (seinen »Verstärkerfaktor«)
herabsetzt, so daß er stark überdimensioniert werden muß. Diese Überdimensionierung
wird bisher für unumgänglich gehalten, wenn eine gute Regelung erreicht werden soll.
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Durch die Erfindung werden diese Nachteile beseitigt. Sie schlägt
eine Anordnung zum selbsttätigen schnellen Aufheizen eines elektrisch beheizten,
gut wärmeisolierten Ofens auf eine vorbestimmte Temperatur mit einem Regelwerk zum
Steuern der Wärmezufuhr vor, bei der erfindungsgemäß der das Regelwerk steuernde
einzige Temperaturfühler so angeordnet ist, daß er die Oberflächentemperatur des
Heizkörpers mißt. Bei Verwendung eines Pyrometers als Meßfühler ist dieses so anzuordnen,
daß es praktisch ausschließlich die Strahlung der Oberfläche des Heizkörpers erfaßt,
bei Verwendung eines Thermoeleinentes ist dieses in innigem Wärmekontakt mit der
Oberfläche des Heizkörpers zu bringen, wie sich im einzelnen aus den Unteransprüchen
ergibt.
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Eine erfindungsgemäße Temperaturregelung mit einem Pyrometer ist in
Fig.2a schematisch dargestellt. Hierbei ist der Strahlungsmesser, das Pyrometer
4a, vor einem Strahlendurchlaß 14 angebracht, der im einfachsten Fall ein entsprechend
ausgestaltetes offenes Loch in der Wärmeisolierung darstellt, bei höheren Anforderungen
aber mit Fenstern oder sogar einer Optik versehen sein kann, die für die in Frage
kommenden Strahlen 15 durchlässig sind. Der Charakter der gemessenen Strahlung kann
auch in bekannter Weise durch Lichtfilter verändert werden. Die Erfindung besteht
nun darin, daß der Strahlungsempfänger 4a und der Strahlungsdurchlaß 14 so angeordnet
oder ausgestaltet sind, daß praktisch ausschließlich die Strahlung 15 der Heizung
3 erfaßt und gemessen wird. Dieses Ziel kann natürlich auch durch den zusätzlichen
Einbau entsprechender Blenden in den Strahlengang erreicht werden.
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Daß gerade die direkte Strahlung 15 der Heizung 3 zur Messung benutzt
werden kann, zeigt den deutlichen Fortschritt gegenüber den bisherigen Anordnungen
der Fig. 1 a und 1 b. Bisher wurde ein Thermoelement 4 als Meßfühler ähnlich wie
in Fig. 1 a vollständig oder wenigstens ziemlich weitgehend vor der direkten Strahlungseinwirkung
der Heizung 3 geschützt, weil der Meßfühler die mittlere Ofentemperatur messen und/oder
anzeigen sollte und dieser Meßwert durch die direkte Strahlung bis zu einem gewissen
Grade verfälscht wird. Aus demselben Grunde wurde ein Strahlungsmesser 4a, als Meßfühler
ähnlich wie in Fig. 1b so angeordnet, daß er die Strahlung von einem Wandteil 4
c aufnahm, wobei die reflektierte Strahlung der Heizung 3 nur noch eine meist kleine
Meßunsicherheit bewirken konnte.
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Hier wird jedoch erfindungsgemäß bewußt die Heizung 3 selbst anvisiert
oder ihre Oberflächentemperatur als Bezugsgröße für die Regelung benutzt. Das hat
folgende Vorteile: Die Wärmeträgheit der Heizung 3 ist wesentlich geringer als die
des Ofenraumes 1. Ihre Temperatur folgt also allen Steuermaßnahmen relativ schnell,
während der trägere Ofenraum 1 langsam hinterherkommt. Eine Temperaturerhöhung der
Heizung über die eingestellte Solltemperatur T1 hinaus wird durch den Kreis 4 d5-6-8-10-8
a in relativ kurzer Zeit wieder rückgängig gemacht, ohne daß sie zu einer wesentlichen
Temperaturerhöhung des Ofenraumes 1 führt. Dieselbe Überlegung gilt für eine Temperaturerniedrigung
gegenüber der Solltemperatur T1. Diese erfindungsgemäße Regelung hat also alle Eigenschaften
der Rückführung 11-12-13 in den Fig. 1 a und 1 b, denn sie wirkt der eintretenden
Änderung der gewünschten und konstant zu haltenden Ofentemperatur To entgegen, ehe
diese Änderung einen größeren oder auch nur merkbaren Wert annimmt. Der Aufwand
der Rückführung erweist sich als nicht erforderlich, wenn man nach dem hier gemachten
Vorschlag von der Oberflächentemperatur der Heizung (und nicht von der mittleren
Ofentemperatur) ausgeht und mit ihrer Hilfe die Ofentemperatur regelt.
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Zu beachten ist allerdings, daß der Regler 6 über seinen Regelkreis
die Temperatur T1 der Heizung 3 regelt und diese Temperatur sich um einen gewissen,
bei jedem Ofentyp verschiedenen Betrag von der mittleren Ofentemperatur To unterscheidet.
Um nun auch die Temperatur zu kennen, kann eine einfache Anzeigevorrichtung vorgesehen
sein, die beispielsweise aus einem Thermoelement 20, einem '.#likrovoltinetc-r 21
und einem Strahlungsschutz 22 besteht. Diese zusätzliche Temperaturanzeigeeinrichtung
bedeutet keinen ins Gewicht fallenden Aufwand.
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Da die Temperatur T1 der Heizung 3 und nicht die Temperatur To des
Ofenraumes 1 geregelt wird, wäre vielleicht zu erwarten, daß diese über größere
Zeitspannen nicht genügend konstant ist. Es hat sich aber gezeigt, daß die Temperatur
T" der Umgebung infolge der guten Wärmeisolation des Ofens keine Rolle spielt und
die Temperatur To praktisch konstant bleibt, auch wenn sich die Temperatur T" etwas
ändert. Das ist dadurch zu erklären, daß die Änderungen der Temperatur T" klein
sind gegenüber der Temperaturdifferenz zwischen To und T" und daher durch die Wärmeleitung
der Isolation 2 ein stets konstanter Energieverlust auftritt.
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In der Fig. 2b ist eine erfindungsgemäße Ofenregelung schematisch
dargestellt, die von einem Meßfühler 4 ausgeht, der in unmittelbarem Wärmekontakt
mit der Oberfläche des elektrischen Heizleiters steht. Dieser Meßfühler besteht
im einfachsten Fall aus einem Thermoelement, dessen Lötstelle unmittelbar mit dem
Heizleiter verschweißt oder an seine Oberfläche fest angedrückt ist. Für die letztere
Befestigungsmethode ist es vorteilhaft, eine dünne, die Wärmeleitung praktisch nicht
vermindernde Schicht dazwischenzuschalten. Solche dünnen und beispielsweise elektrisch
isolierende Schichten können im Vakuum aufgedampft oder auch auf andere Weise erzeugt
sein; ihre Dicke liegt in der Größenordnung von #tm.
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Alle obigen Überlegungen für einen Strahlungsmesser 4a in Fig. 2a
treffen auch auf den Wärmefühler 4 in Fig. 2b zu. Auch hier sind bekannte Bedingungen
zu erfüllen, die eine Verfälschung der Temperaturmessung soweit möglich und nötig
vermeiden. So darf der Wärmefühler 4 nicht so ausgestaltet sein, daß an der Berührungsstelle
eine niedrigere Temperatur herrscht. Beispielsweise müssen
deshalb
die Leitungsquerschnitte der Thermoelementdrähte genügend dünn sein und die Befestigungsart
an der Leiteroberfläche so gewählt werden, daß dort keine merkbare Änderung des
Heizleiterquerschnitts oder seiner Widerstandseigenschaften eintritt. Diese Fragen
und ihre Beantwortung gehören zu den fast täglichen Arbeiten des Fachmanns.
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In den Fig. 3 a und 3 b ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Der Ofen dient vor allem für langdauernde Erwärmungsprozesse und wird
nur selten geöffnet. Er besteht aus dem Unterteil 20, das auf den Füßen 21 ruht,
und aus dem Blechmantel 22, der Füllmasse 23 und der inerten Ausmauerung 24 aus
hoch feuerfesten Steinen. Der abhebbare Deckel 25 zeigt dieselbe Schichtenanordnung.
Im Innenraum 26 dienen sieben Heizstäbe 27, 27' der Wämeerzeugung. Sie sind an den
Halte- und Stromzuführungsteilen 28 befestigt.
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In der Wärmeisolation ist ein Ausschnitt 30 vorgesehen, hinter dem
ein Pyrometer 31 angebracht ist. Sein Visierwinkel 32 erfaßt gerade den mittleren
Teil des im Zentrum befindlichen Heizstabes 27'. Etwa gegenüber dem Ausschnitt 30
ist ein Strahlenschutz 40 angebracht, der das Thermoelement 41 vor der direkten
Strahlung der Heizstäbe 27, 27' schützt. Das Thermoelement ist mit einem Anzeigeinstrument
42 verbunden, das die mittlere Ofentemperatur anzeigt. Das Schaltschema der Temperaturregelung
entspricht in allen Teilen dem der Fig. 2 a, nur hat jetzt der Strahlungsmesser
4a die Bezugsziffer 31 und die Heizung 3 die Bezugsziffern 27 bzw. 27'.
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Die in den Fig. 3 a, 3 b und 2 a gezeigte Regeleinrichtung hat sich
schon bei einer ununterbrochenen Betriebsdauer von vielen tausend Stunden ausgezeichnet
bewährt. Sie zeigt nur überraschend kleine Temperaturschwankungen des Ofeninnern
und eine völlige Freiheit von Überschreitungen der eingestellten Solltemperatur.
Der als Beispiel gezeigte Ofen ist in bekannter Weise mit weiteren Regel- bzw. Sicherungseinrichtungen
versehen, die einem eventuellen, aber bisher noch nicht beobachteten Versagen der
benutzten Regeleinrichtung und in anderen Gefahrenmomenten den Ofen außer Betrieb
setzen.