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Temperaturregler Die Erfindung betrifft einen Temperaturregler tür
einen Behälter, der von einem leitenden, bei Solltemperatur schmelzenden Material
umgeben ist. Bei der Schmelztemperatur besteht das wärmespeichemde Material aus
einem Brei, der teilweise aus festen und teilweise aus flüssigen Stoffen zusammengesetzt
ist. Da die Schmelztemperatur unabhängig von dem Verhältnis von flüssigem zu festem
Material ist, kann der Brei in einem weiten Bereich der Wärmezufuhr des Heizelementes
auf konstanter Innentemperatur gehalten werden.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird die Wänneausdehnung
des schmelzenden Materials dazu benutzt, mittels eines Kontaktmanometers den Heizstrom
so zu regeln, daß bei über- bzw. Unterschreitung eines bestimmten Verhältnisses
des Zustands fest/flüssig der Heizstrom aus- bzw. eingeschaltet wird.
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Es ist ferner bekannt, an Stelle eines besonderen Kontaktstellgliedes
eine wärmehaltende Quecksilberschmelze, die den zu heizenden Raum umspült, direkt
als Kontaktgeber nach Art eines Kontaktthermometers zu verwenden. Derartige Anordnungen
eignen sich jedoch nur für kleine temperaturkonstant zu haltende Räume.
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Gegenüber den die Wärrneausdehnung des schmelzenden Materials zur
Regelung des Heizstromes ausnutzenden Anordnungen besitzen weiterhin bekannte Temperaturregler,
die die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des zur Temperatur-Konstanthaltung
benutzten Materials beim Schmelzen ausnutzen, den Vorteil, wesentlich empfindlicher
zu arbeiten und eine kontaktlose stetige Regelung des Heizstromes zu ermöglichen.
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Die nach diesem Prinzip arbeitenden Temperaturregler, bei denen das
schmelzende Material die Sekundärseite eines zusammen mit einer Induktionsspule
gebildeten Transformators verkörpert, werden erfindungsgemäß in der Weise weiter
ausgebildet und dadurch empfindlicher gemacht, daß die Induktionsspule in die Schmelze
eintaucht und als Wärmefühler mit einer zweiten Induktivität in eine Brücke geschaltet
ist, in deren Diagonalzweig ein Verstärker liegt, der den Strom für den Heizwiderstand
steuert. Dabei wird vorzugsweise für die Induktionsspule ein ringföriniger Kein
verwendet, während in der Brücke als zweite Induktivität ein Transformator dienen
kann, der sekundärseitig durch einen einstellbaren Widerstand belastet wird.
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Ein Ausführungsbeispiel wird durch die folgende Beschreibung zusammen
mit den Zeichnungen näher erläutert, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ist und Fig. 2 eine Teilansicht ist, die
die Ausführung eines Einzelteils, das in Fig. 1 gezeigt wird, darstellt und
schematisch seine Wirkungsweise angibt.
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In Fig. 1. ist ein Behälter 10 gezeigt, dex eine Innenkammer
12 und eine ringförrnige Außenkammer 14 besitzt. Die Außenkammer 14 ist mit elektrisch
leitendem Material 15 gefüllt, das schmilzt, wenn es auf eine vorbestimmte
Schmelztemperatur erhitzt wird und welches eine hohe latente Schmelzwärme besitzt.
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Das Regelsystem für den Ofen enthält eine Primärwicklung
16 eines Transformators 18, die über zwei Leitungen L 1,
L 2 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist. Eine Sekundärwicklung20 des
Transformators 18 ist durch zwei Leitungen 22, 24 nÜt zwei Anschlußklemmen
26 bzw. 28 einer Brückenschaltung 30 verbunden, wodurch die
Wechselspannung der Stromquelle an diese Eingangsklemmen gelegt wird.
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Die Brückenschaltung 30 ist mit zwei Ausgangsklemmen
32, 34 versehen, die mit der Eingangsseite eines Kraftverstärkers
36 durch zwei Leitungen 38, 40 verbunden sind. Ein Heizelement 42 kann durch
einen Abgleichfehler der Brückenschaltung erregt werden und ist durch die Leitungen
44, 46 mit den Ausgangsklemmen des Kraftverstärkers 36 verbunden, wobei das
Heizelement 42 das Material 15 heizt.
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Die Brückenschaltung 30 enthält einen Widerstand 48, der mit
den Klemmen 26 und 32 verbunden ist
und den einen
Zweig der Brücke bildet, sowie einen Widerstand 50 zwischen den Klemmen
28,'32, der den anderen Zweig der Brücke bildet. Eine Induk-, tionsspule
52 ist über ei * ne Leitung 53 -mit den Klemmen 26,
34 und eine zweite Induktionsspule 54 ist über Leitungen 56, 57 mit den
-Klemmen 28, 34 verbunden. Die Induktionsspule 54 liegt in der Kammer
14 und ist in das Material 1.5 eingetaucht, auf dessen Verhältnis von flüssig
zu fest sie anspricht, wie es später noch ausführlich beschrieben wird.
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Die Induktionsspule 52 bildet eine Primärwicklung eines Transformators
58, der eine Sekundärwicklung hat, die aus einer Spule 60 besteht.
Ein veränderlicher Widerstand 62 ist mit der Sekundärwicklung 60 verbunden.
Die Spulen 52, 54 und 60 sind gleichartig, und jede hat die gleiche
Windungszahl.
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Die Induktionsspule 54 ist nach Fig. 2 auf einen ringförmigen Kein
64 gewickelt, und beide werden in das Material 15 eingetaucht. Bei dieser
Anordnung dient die Spule 54 als Primärwicklung eines Transformators, und das Material
15 bildet eine Sekundärwicklung mit einer einzigen Windung als Widerstand,
der der Leitfähigkeit des Materials 15 proportional ist. dieses Ergebnis
ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, wobei die Wicklung66 mit einer Windung, wie
sie das Material 15 bildet, in gestrichelten Linien angedeutet ist. Ein Widerstand
68 ist mit der Sekundärwicklung 66 verbunden, um den Widerstand des
Materials 15
anzudeuten. Das Material 15 kann aus irgendeinem schmelzbaren
leitenden Stoff bestehen, der eine hohe latente Schmelzwärme besitzt. Der Behälter
10 ist aus nichtleitendem Material hergestellt, oder er ist durch überzüge
an der Innenwand der Kammern 12, 14 von der Schmelze 15 isoliert.
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Wenn sich das Material 15 im festen Zustand befindet und Wänne
zugeführt wird, dann wird die Temperatur des Materials 15 zunehmen, bis sie
die Schmelztemperatur erreicht. Bei Schmelztemperatur geht das Material
15 vom festen zum flüssigen Zustand über. Während dieser Zustandänderung
besteht das Material 15 aus einem Brei, der teilweise aus festem und teilweise
aus flüssigern Material zusammengesetzt ist. Im breiigen Zustand des Materials
15 ist die Schmelztem. peratur unabhängig vom Verhältnis von flüssig zu fest,
und daher kann der Brei einem weiten Bereich der Wärmezufuhr ohne Beeinflussung
der Temperatur des Materials 15 ausgesetzt werden. Demgemäß wirken sich Veränderungen
der Wärmezufuhr nur im Verhältnis von flüssig zu fest aus, während sich das Material
15 im breiigen Zustand befindet. Die Leitfähigkeit des Materials
15 ist seinem Widerstand proportional, der sich mit dem Verhältnis von flüssig
zu fest ändert.
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Die isolierende Eigenschaft des Behälters 10 ist so ausgewählt,
daß der Gleichgewichtszustand gebildet wird, wenn ein vorbestimmtes Verhältnis von
flüssig zu fest im breiigen Zustand des Materials 15 besteht, wobei die der
Heizvorrichtung 42 zugeführte Energie gleich der Wärme, die das Material
15 abgibt, ist. Dieser Gleichgewichtspunkt kann bei einer Temperatur gewählt
werden, bei der das Verhältnis von flüssigem zu festem Material gleich
1 ist.
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Die Widerstände 48 und 50 der Brücke sind gewöhnliche Widerstände,
und der Kreis 30 ist im Gleichgewichtszustand, wenn die Impedanz der Spule
54 gleich der Impedanz der Spule 52 ist. Die Impedanz der Spule 54 ändert
sich mit der Leitfähigkeit des Materials 15, wie -es jetzt dargestellt wird.
Wie in Fig. 2 angedeutet, dient das Material 15 als Sekundärwieldung
66 von einer Windung auf dem Kein 64 und hat einen Widerstand 68,
der der Leitfähigkeit des. Materials 15 proportional ist. Daher kann
die Impedanz der Spule 54, wenn sie in das Material 15 eingetaucht wird,
auf folgende Art mit Hilfe der Formel für die Impedanz eines Transformators bestimmt
werden:
wobei die Zeichen folgendes bedeuten: R., ist der Widerstand der Sekundärwicklung
66
und des Widerstandes 68. R,4 ist der Widerstand der Spule 54, «)
ist die Frequenz der Stromquelle L 1, L 2; L54 ist die Induktivität
der Spule 54, N54 ist das Windungsverhältnis oder die Zahl der Windungen
der Spule 54.
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Es ist offensichtlich, daß alle Glieder in Gleichung (2) außer R""
welcher sich mit der Leitfähigkeit des Materials 15 ändert, fest bleiben,
weil der Widerstand R,4 der Induktivität L.., das Windungsverhältnis N
und
die Frequenz co konstant bleiben. Daher kann die Gleichung zu folgendem Ausdruck
reduziert werden:
wobei A, B, C, D und E Konstanten sind.
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Da in der obigen Gleichung R,6 die einzige Veränderliche ist, wird
sich jede Änderung im Widerstand des Materials 15 in einer Änderung des Impedanzwertes
der Spule 54 auswirken.
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Wenn die Spulen 52, 60 gleich der Spule 54 sind, dann ist der
Wert des Widerstandes 62, der bei der Primärspule 52 auftritt, NR.2.
Da jedoch das Windungsverhältnis N den Wert 1 hat, hat dieser Widerstand
nur den Widerstandswert des Widerstandes 62,
Bei der Primärspule 54 ist der
Widerstand des Materials 15 (Wicklung 66 und Widerstand
68), der bei der Spule 54 erscheint, NR... Da die Wicklung 66
eine
einzige Windung besitzt, ist N in diesem Fan nicht gleich
1.
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Weil die Spulen 52, 54 gleichartig sind, sind die in Gleichung
1 einzusetzenden Konstanten A, B, C und
D
beider Spulen gleich. Dementsprechend sind die Impedanzen der Spulen
52 und 54 gleich und im Gleichgewicht, wenn R62 gleich NR.., wobei
N die Windungszahl der Spule 54 bedeutet.
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Die Einstellung des veränderlichen Widerstandes 62 dient dazu,
den Wert der Leitfähigkeit oder des Widerstandes des Materials 15 zu ändern,
der erforderlich ist, um ein Brückengleichgewicht herzustellen.
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Bei Betrieb ist der Widerstand 62 auf einen Wert eingestellt,
der Gleichgewicht bei der Brückenschaltung 30 hervorruft, wenn sich das Material
15 im flüssigen Zustand befindet. Deshalb ist die Brückenschaltung
30 normalerweise während des Betriebes im Gleichgewichtszustand, bei dem
die dem Heizelement 42 zugeführte Energie gleich dem Wärmeverlust des Materials
15 ist, nicht abgeglichen.
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Wenn das Verhältnis von flüssig -zu fest kleiner als das Verhältnis
im Gleichgewichtszustand ist, dann ist
die Impedanz der Spule 54
kleiner als die Impedanz der Spule 52, und die Brücke 30 ist im hohen
Grade außer Gleichgewicht. Unter dieser Bedingung übertrifft die dem Heizelement
42 zugeführte Energie den Wärmeverlust des Materials 15. Die dem Material
15
zugeführte Wärmemenge verursacht daher, daß der Brei flüssiger und weniger
fest wird. Mit diesem sich ergebenden Anwachsen des Verhältnisses von flüssig zu
fest des Materials 15 wächst der Widerstand des Materials 15, was
sich in einem konstanten Anwachsen der Impedanz der Spule 54 auswirkt. Das Anwachsen
der Impedanz der Spule 54 verringert den Grad des Abgleichfehlers bei der Brücke
30, und so wird die dem Heizelement 42 zugeführte Energie geringer. Das Verhältnis
von flüssig zu fest wächst fortlaufend an, bis ein Inipedanzwert der Spule 54 erreicht
ist, bei dem die dem Heizelement 42 zugeführte Wänneenergie gleich dem Wärmeverlust
des Materials 15 ist. Bei diesem Gleichgewichtszustand deckt die dem Material
15 zugeführte Wärmeenergie gerade vollständig den Wärmeverlust. Daher wächst
das Verhältnis von flüssig zu fest nicht an, und das System bleibt im Gleichgewichtszustand.
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Wenn unter irgendeiner Bedingung das Verhältnis von flüssig zu fest
über das Verhältnis im Gleichgewichtszustand anwachsen sollte, vergrößert sich der
Widerstand des Materials 15, was ein Anwachsen der Impedanz der Spule 54
verursacht. Dieses Anwachsen der Impedanz der Spule verringert die Größe des Abgleichfehlers
der Brücke 30 und verursacht eine Abnahme * der dem Heizelement 42
zugeführten Energie bis zu einem Wert, der kleiner ist, als der Wärmeverlust des
Materials 15. Unter diesen Bedingungen verursacht ein übermaß an Wärmeverlust
gegenüber der Wärmezufuhr ein Abnehmen des Verhältnisses von flüssig zu fest, bis
der Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist.
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Wenn der Brei im Gleichgewichtszustand beinahe zu gleichen Teilen
aus flüssigem und festem Material besteht, dann verhindert die selbstregelnde Wirkung
des Systems, daß das Material 15 entweder in den vollständig flüssigen oder
in den vollständig festen Zustand übergeht. Wenn jedoch das Material 15 in
einen vollständig festen Zustand übergehen sollte, dann wird der Widerstand beträchtlich
abnehmen und die Leitfähigkeit des Materials 15 zunehmen, was einen sehr
großen Abgleichfehler der Brücke hervorruft. Wenn andererseits das Material
15 in einen vollständig flüssigen Zustand übergehen sollte, dann wird die
Brückenschaltung 30 ausgeglichen, und die dem Heizelement 42 zugeführte Energie
ist am geringsten. Dementsprechend hält das hier beschriebene System die Temperatur
in der Kammer 12 im wesentlichen auf der Schmelztemperatur des wärmespeichernden
Materials 15.