DE1103656B - Verfahren zur Ofenregelung - Google Patents

Verfahren zur Ofenregelung

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DE1103656B
DE1103656B DEH37463A DEH0037463A DE1103656B DE 1103656 B DE1103656 B DE 1103656B DE H37463 A DEH37463 A DE H37463A DE H0037463 A DEH0037463 A DE H0037463A DE 1103656 B DE1103656 B DE 1103656B
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DE
Germany
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temperature
heater
furnace
radiation
sensor
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DEH37463A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Helmut Reiner
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WC Heraus GmbH and Co KG
Original Assignee
WC Heraus GmbH and Co KG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/27Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing element responsive to radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An Hand der Fig. l a, 1 b werden zunächst die bekannten Anordnungen beschrieben, von denen die Erfindung ausgeht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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'.
  • 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.

Claims (4)

  1. IyATENTA"SPRUCHE: 1. Anordnung zum selbsttätigen schnellen Aufheizen eines elektrisch beheizten, gut wärmeisolierten Ofens auf eine vorbestimmte Temperatur mit einem Regelwerk zum Steuern der Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß der das Regelwerk steuernde einzige Temperaturfühler (4, 4a) so angeordnet ist, daß er die Oberflächentemperatur (T1) des Heizkörpers (3) mißt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem Pyrometer als Temperaturfühler, das sich vor einem-Strahlendurchlaß außerhalb des Ofens befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Visierausschnitt des Strahlendurchlasses (4b) auf die Heizung (3) und eventuell ihre nächste Umgebung gerichtet ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem Thermoelement als Meßfühler, dadurch gekennzeichnet, däß die Lötstelle des Thermoelementes (4) unter Zwischenschaltung einer sehr dünnen, beispielsweise aufgedampften Zwischenschicht mit der Oberfläche der Heizung (3) in innigem Wärmekontakt steht, beispielsweise fest an sie angedrückt ist.
  4. 4. Ergänzung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durch einen zweiten Temperaturfühler (20, 41), der zum Messen der Isttemperatur in an sich bekannter Weise gegen den Heizkörper (3, 27) abgeschirmt ist (Teil 22, 40). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1699 355; Oppelt, K1. Handbuch techn. Regelvorgänge, Weinheim, 1954, S.340.
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