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Die Erfindung betrifft eine Temperaturregeleinrichtung für Ofen mit
Widerstandsheizung, wobei ein Temperaturfühler am Heizelement und ein anderer Fühler
im Ofenraum angeordnet ist und gemeinsam die Stromzufuhr zum Heizelement beeinflussen.
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Ein wesentliches Problem bei der Temperaturregelung von Öfen mit Widerstandsheizung
besteht in der Zeitspanne, die erforderlich ist, bis die Erwärmung des Heizelementes
die zwischen dem Heizelement und dem Ofenraum liegenden Wandteile und den Inhalt
des Ofens so weit erwärmt hat, -daß der Ofenraum selbst die gewünschte Temperatur.ein=
nimmt. Da zur Erzielung eines Wärmegefälles zwischen Heizelement und Ofenraum und
damit des Wärmeüberganges überhaupt das Heizelement eine wesentlich höhere Temperatur
als die gewünschte Ofentemperatur haben- muß, entsteht damit im Heizelement eine
periodische Überheizung, wenn der Ofen die gewünschte obere Temperaturgrenze erreicht
hat. Diese überheizung führt aber nach Erreichen der oberen Ofentemperatur, d. h.
nach Abschaltung des Heizelementes zu einer weiteren Wärmeabgabe an den Ofen und
damit zu einem Anstieg der Ofentemperatur über den Sollwert. Eine Kompensation durch
entsprechende frühzeitige Abschaltung ist schwierig, da die auftretenden Wärmeschwankungen
im. Ofen sehr weitgehend von der Ofenfüllung, vom ufbau des Ofens und von
der gewünschten Arbeitstemperatur abhängen.
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Um eine möglichst ,genaue Anpassung der Temperatur des Heizelementes
an die Temperatur des Ofenraumes zu erhalten, ist es bekannt, das Heizelement möglichst
nahe, - d. h.- ohne Zwischenschaltung von wärmeträgen Wandflächen, zwischen Heizelement
und Ofenraum anzuordnen und den den Regelimpuls abgebenden Temperaturfühler mit
dem Heizelement direkt zu verbinden. Diese bekannte Anordnung vermindert zwar den
zeitlichen Unterschied, d. h. die Frequenz der Temperaturschwankungen zwischen Heizelement
und Ofenraum, schafft jedoch keine grundlegende Abhilfe., Bei einer anderen bekannten
Anordnung ist ein Temperaturfühler am Heizelement und ein zweiter Temperaturfühler
im Ofenraum angeordnet, wobei die Meßwerte beider Temperaturfühler durch Zu" und
Abschaltung eines Widerstandes in dem Meßkreis des Heizelementfühlers in Abhängigkeit
vom Meßwert des Ofenraumfühlers überlagert werden und und dieser überlagerte Wert
zur - Regelung herangezogen wird. Bei dieser bekannten Anordnung wird lediglich
der Meßwert des einen Fühlers durch den Meßwert des anderen Fühlers korrigiert,
aber ebenfalls keine grundlegende Änderung des Regelprinzips geschaffen. Außerdem
ist diese Anordnung relativ kompliziert und damit störungsanfällig.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung sind zwei Fühler im Ofenraum
vorgesehen, deren Meßwerte ebenfalls überlagert werden und der überlagerungswert
zur Erzielung einer einheitlichen mittleren Temperatur im Ofenraum als Regelwert
dient. i Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Anordnung zu schaffen,
durch die mit einfachsten Mitteln die Temperatur im Ofen wesentlich genauer als
dies bisher möglich war konstant gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, daß
bei einer Einrichtung, bei der ein Temperaturfühler am Heizelement und ein anderer
Temperaturfühler im Ofenraum angeordnet ist, und beide gemeinsam die Stromzufuhr
zum Heizelement beeinflussen, erfindungsgemäß zwischen Heizelement und Ofenraum
eine Wand mit großer Wärmekapazität angeordnet ist und der Wärmefühler des Heizelementes
direkt das Regelinstrument beeinflußt, während der im Ofenraum angeordnete Fühler
zur Einstellung der Schaltgrenzwerte des Regelinstrumentes dient.
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Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird eine überraschend gute
Konstanz der Ofentemperatur erreicht. Es ist zwar bekannt, daß die zwischen Heizelement
und Ofenraum liegenden Wandteile ebenso wie die Füllung des Ofens an sich eine gewisse
Wärmekapazität aufweisen. Alle bekannten Regelanordnungen versuchen jedoch, diese
durch die Wandteile bedingte notwendige Temperaturdifferenz zwischen Ofenraum und
Heizelement zu vermindern, indem das Heizelement möglichst nahe am Ofenraum angeordnet
wird, oder aber die Wärmeträgheit durch entsprechende überlagerung der Temperaturmeßwerte
von Heizelement und Ofenraum zu kompensieren. Gemäß der Erfindung dagegen wird diese
Wärmekapazität zur Konstanthaltung der Ofentemperatur auf einfachste Weise über
zwei Fühler ausgenutzt.
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Weiterbildungen der Erfindung bestehen darin, daß der Temperaturfühler
im Ofenraum die Verstellung der Schaltgrenzwerte des Regelinstrumentes über einen
Stellmechanismus bewirkt. Dabei arbeitet der Temperaturfühler im Ofenraum auf einen
Temperaturregler, der von der Größe der Temperatur im Heizraum abhängende Steuerimpuls
mit unterschiedlichen Vorzeichen an das Regelinstrument abgibt. Der Stellmechanismus
schließt ein relaisbetätigtes Schaltrad ein, welches über eine Totgangkupplung mit
dem Regelinstrument mechanisch derart verbunden ist, daß dessen Schaltgrenzwerte
bei überschreiten eines durch den Totgang bestimmten Toleranzbereiches nachgestellt
werden.
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In der Zeichnung zeigt F i g.1 die Schaltanordnung eines üblichen-
Ofens mit Widerstandsheizung, in der 10 den elektrisch geheizten Ofen,
11 den Heizkörper (unter Heizkörper ist die Gesamtheit der Heizelemente gemeint),
12 das Fühlungsorgan des für die Temperaturregelung dienenden Thermoelementes im
Heizraum, 13 den Vergleichspunkt des Thermoelementes, 14 den Thermostat für den
Bezugspunkt des Thermoelementes, 15 ein Regelorgan, z. B. ein Fallbügelinstrument,
für das vom Thermoelement gelieferte Signal, 16 das Schaltorgan dieses Reglers und
17 und 18 die Pole des Netzanschlusses bedeuten.
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F i g. 2 zeigt die zeitliche Änderung der Temperatur des Heizraumes
eines Rohrofens von derartiger Anordnung und die zeitliche Änderung der Temperatur
des wärmsten Heizelementes. Im folgenden soll diese Temperatur als Temperatur
20 des Heizkörpers 11 bezeichnet werden, damit man sich nicht um die räumliche
Temperaturverteilung des Heizkörpers, die vom Standpunkt der Stabilität des Ofens
gesehen uninteressant ist, kümmern muß. Zur Regelung der Temperatur dient ein Fallbügelinstrument,
das alle zwanzig Sekunden schaltet. Der Regler schaltet bei der Temperatur A ein,
worauf sich der Heizkörper zu erwärmen beginnt. Die Temperatur 21
des Heizraumes
verringert sich jedoch noch zweieinhalb Minuten länger bis zum Punkt B und steigt
dann während zwei Minuten bis zum Punkt C an, worauf der Heizkörper ausgeschaltet
wird. Nach dem Ausschalten
steigt aber die Temperatur des Heizraumes
noch bis zum Punkt D, worauf eine Abkühlung bis zum Punkt Bi erfolgt. Inzwischen
wird aber bei Temperatur A1 die Heizleistung durch den Regler wieder eingeschaltet.
Man sieht, daß sich die Temperatur des Heizraumes und des Heizkörpers stufenweise
ändert, wobei die Temperaturänderung des Heizraumes um ungefähr zweieinhalb Minuten
der Temperaturänderung des Heizkörpers nacheilt. Dieses Nacheilen ist zum Teil eine
Folge der Wärmeträgheit des Ofens, zum Teil aber - in kleinerem Maße - eine Folge
der Unempfindlichkeit des Reglers.
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Der Temperaturunterschied von 11C zwischen den Punkten C und A stammt
von der Unempfindlichkeit des Temperaturreglers, die Wärmeträgheit des Ofens erhöht
die Temperaturänderung des geheizten Raumes um weitere 7'C, die der Summe
der Temperaturunterschiede zwischen den Punkten A und B sowie D und
C entspricht.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform des Gegenstandes nach den Ansprüchen,
und zwar eine Schaltanordnung mit mechanisch-elektrischer Steuerung. In einem Ofen
57 ist am Heizelement 63 ein Wärmefühler 56, z. B. ein Thermoelement, und im Ofenraum
ein Fühler 50 vorgesehen, wobei der Fühler 56 ein Regelinstrument 55 beeinflußt
und der im Ofenraum angeordnete Fühler 50 die Einstellung der Schaltgrenzwerte des
Regelinstrumentes 55 mittels von der Temperatur im Ofenraum abhängiger Steuerimpulse
über einen Stehmechanismus bewirkt. Dieser Stellmechanismus enthält ein über den
Temperaturregler 51 und Schaltrelais 53 und 54 betätigtes Schaltrad 52, das über
eine Totgangkupplung 59, 60, 61 mit dem Regelinstrument 55 mechanisch derart verbunden
ist, daß dessen Schaltgrenzwerte bei überschreiten eines durch den Totgang bestimmten
Toleranzbereiches nachgestellt werden. Die Verbindung des Schaltrades 52 mit dem
Stellorgan des Regelinstrumentes 55 ist so, daß Verdrehungen von ± 10 , bis 50 Zähnen
des Schaltrades noch nicht übertragen werden, sondern nur größere Werte, die entsprechend
durch Einstellen des Totganges eingestellt werden können. Das Einstellen erfolgt
durch Verstellen der Hebel 59 und 60 und des Zapfens 61.
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F i g. 4 zeigt den Verlauf der Regelbarkeit des nach F i g. 3 geregelten
Ofens. Der Maßstab dieser Figur stimmt mit jenem der F i g. 2 überein. Bei dieser
Anordnung wurde zum besseren Vergleich derselbe Ofen und derselbe Temperaturregler
benutzt, mit welchem die Kurven der F i g. 2 aufgenommen wurden. Man sieht, daß
die Temperaturschwankung 43 des Heizkörpers von ± 21° C auf ± 7° C, die Temperaturschwankung
44 des Heizraumes aber von ± 4° C auf ± 0,3° C verringert werden konnte.
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Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale
eines jeden Anspruches, also einschließlich seiner Rückbeziehung.