DE1540999C3 - Verfahren zur Regelung der einer elektrisch zu beheizenden Vorrichtung zugeführten Heizleistung und Regelvorrichtung zur DurchfOhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der einer elektrisch zu beheizenden Vorrichtung, Ofen od. dgl., insbesondere einem Schmelztiegel zur Glasfadenherstellung, zugeführten Heizleistung mit

ίο mindestens zwei Thermoelementen, von denen eines die Temperatur des Ofens abgreift und mindestens ein anderes in Abhängigkeit vom Beheizungszustand des Ofens durch einen speziellen Widerstand beheizt wird.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Regelvorrichtung für elektrische Heizvorrichtung an Öfen, insbesondere an einem Schmelztiegel zur Glasfadenherstellung, mit mindestens zwei auf ein, die Heizleistung steuerndes und eine vorbestimmte Temperatur aufrechterhaltendes Temperatur-Überwachungsgerät arbeitenden Thermoelementen, von welchen eines die Temperatur des Ofens abgreift und mindestens ein anderes in Abhängigkeit vom Beheizungszustand des Ofens durch einen speziellen Widerstand beheizt wird. Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus der USA.-Patentschrift 2 148 491. Bei der bekannten Vorrichtung sind ein die Temperatur des elektrisch zu beheizenden Ofens abgreifendes Thermoelement und zwei weitere Thermoelemente vorgesehen, die mit diesen wirkungsmäßig in Reihe geschaltet sind und auf ein Steuergerät arbeiten. Diese beiden zusätzlichen Thermoelemente werden von aus dem Hauptversorgungsstromkreis beaufschlagten Widerständen in Abhängigkeit vom Beheizungszustand des Ofens selbst beheizt und erzeugen entgegengesetzte Thermospannungen in der Weise, daß der Regelhub bei dieser bekannten Zweipunktregelung verkleinert wird, d. h. also, daß die jeweiligen einzuleitenden Regelvorgänge in ihrem Ablauf beschleunigt werden.

Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zur Regelung der einer elektrisch zu beheizenden Vorrichtung, einem Ofen od. dgl., zuzuführenden Heizleistung zu schaffen, mit welcher sich bei einem Ausfall der Heizleistung und dadurch erfolgter Abkühlung die erneute Betriebnahme stoßfrei und mit langsam auf seinen Endwert ansteigenden Heizstrom durchführen läßt. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs als bekannt vorausgesetzten Verfahren und besteht erfindungsgemäß darin, daß zur stoßfreien Erreichung einer vorbestimmten Betriebstemperatur ein programmiertes, an die Temperatur-Zeit-Abkühlungscharakteristik des zu beheizenden Ofens angepaßtes und zu dieser annähernd umgekehrt proportionales Hilfsregelsignal vorgegeben wird, wobei dieses Hilfsregelsignal von der Temperatur des Ofens beim Einschalten der Heizleistung abhängig gemacht wird derart, daß der Ofen durch Steuerung mit Hilfe dieses Signals mit einer Geschwindigkeit aufgeheizt wird, die zum Temperatur-Zeitverlauf bei der Abkühlung des Ofens umgekehrt proportional ist.

Die Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß das andere Thermoelement zusammen mit einem Wärmespeicher eine bei Ausfall oder Rückgang der Beheizung des Ofens in Gang gesetzte Hilfssignalquelle bildet, mit einer zum Ofen annähernd umgekehrt proportionalen Temperatur-Zeitcharakteristik zur Simulierung eines dem Temperatur-Überwachungsgerät zugeführten,

dem Regelsignal des ersten Thermoelementes bei Betriebstemperatur des Ofens gleichen Summensignals.

Die Erfindung ist im wesentlichen für die Beheizung eines Schmelztiegels vorgesehen, mit welchem sich Glas auf eine konstante Temperatur von ungefähr 1260° C aufschmelzen und halten läßt, damit aus dem geschmolzenen Glas dann Glasfaden ausgezogen werden. Es ist üblich, bei solchen Glasschmelztiegeln oder Glasofen eine Stillegung oder Unterbrechung, wenn irgend möglich zu vermeiden, trotzdem läßt sich eine Unterbrechung der Stromversorgung etwa bei Ausfall von Generatoren oder zur Wartung nicht immer verhindern, wobei bei Ausfall der Heizleistung dann die Temperatur des Schmelztiegels, üblichen physikalischen Gesetzen folgend, exponentiell von der Betriebstemperatur auf die Umgebungstemperatur abfällt.

Da bei elektrisch beheizten Glasofen aus niedriger Spannung mit extrem hohen Stromstärken gearbeitet wird, wird sich bei üblicher Regelung und nach Beseitigung der Störung in der Stromversorgung ein extrem hoher Einschaltstoß ergeben, was zu beträchtlichen Beschädigungen führen kann.

Hier schafft die Erfindung Abhilfe, weil bei Abschalten der Stromversorgung für den Ofen eine Hilfsschaltung Informationen zu speichern beginnt, die der Größe der dem Schmelztiegel zugeführten elektrischen Leistung im Zeitpunkt des Abschaltens und während der gesamten Abschaltzeit entsprechen. Regeltechnisch wird die Abkühlung des Schmelztiegels zu jedem Zeitpunkt durch die Zunahme eines Hilfsregelsignals in der Weise kompensiert, daß der bei einer Neuaufheizung den Schmelztiegel durchfließende Strom auf eine solche Größe begrenzt wird, wie er bei normalen Betriebstemperaturen fließt, dabei wird ein Einschaltstoß vermieden und die Betriebsbedingungen des Schmelztiegels so schnell wie möglich wieder erreicht.

Es versteht sich, daß die Temperatur-Zeitcharakteristik des durch die Hilfssignalquelle erzeugten Hilfsregelsignals nicht notwendigerweise genau im umgekehrten Verhältnis zu der bei der Abkühlung des Schmelztiegels auftretenden Temperatur-Zeitcharakteristik stehen muß, sondern es läßt sich gerade durch Unterschiede auch eine gewünschte Geschwindigkeit beim Aufbau der Heizleistung erzielen, wenn von einer bestimmten Temperatur ausgegangen wird.

Die Erfindung ermöglicht die schnelle und stoßfreie Aufheizung ganzer Sätze von Glasschmelztiegeln ohne Gefahr einer Überlastung. ·■■■■..■

Eine bei den jeweils fließenden hohen Strömen stets nur grobe Handeinstellung wird dadurch vermieden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie Aufbau und Wirkungsweise einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an Hand der Figuren im einzelnen näher erläutert Dabei zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Regelvorrichtung, - ,. . ·..

F i g. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm mit den charakteristischen Abkühlungs- und Erwärmungstemperaturen eines Schmelztiegels und einer Vorrichtung für die Hilfssignalquelle,

F i g. 3 einen Schnitt durch die als Wärmespeicher ausgebildete Vorrichtung für die Hilfssignalquelle und

F i g. 4 und 5 andere Diagramme mit charakteristischen Kurven bei Wärmespeichern.

Die F i g. 1 zeigt die als Schmelztiegel 10 ausgebildete, elektrisch beheizte Vorrichtung für geschmolzenes Glas bei der Herstellung von textlien Glasfäden 12. Das geschmolzene Glas wird auf einer normalen Betriebstemperatur von ungefähr 1260° C gehalten. Die Betriebstemperatur wird innerhalb des gewünschten Bereiches durch einen direkten Durchgang elektrischen Stromes durch den Schmelztiegel 10 aufrechterhalten, wobei der Schmelztiegel von einem Transformator 14 gespeist wird; dieser wird entsprechend der Regelung über eine sättigungsfähige Kerndrossel (Transduktor) ίο 16 mit Energie versorgt, die ihrerseits an Speiseleitungen 18 angeschlossen ist. Zufriedenstellende Ergebnisse können auch dann erhalten werden, wenn die Kerndrossel 16 durch einen siliziumgesteuerten Gleichrichter oder durch andere, geeignete Vorrichtungen ersetzt wird.

Die textlien Glasfäden 12 werden durch geschmolzenes Glas gebildet, das durch Düsen 20 am Boden des Schmelztiegels 10 ausfließt und von einer Wickelvorrichtung 32 zu Fäden ausgezogen wird. ao Der Schmelztiegel 10 enthält Glaskugeln, die durch die Sekundärwicklung des Transformators 14 bis zum Schmelzen erhitzt werden. Der Heizstrom für den Schmelztiegel 10 ist Wechselstrom, der durch die Speiseleitungen 18 zugeführt und beispielsweise einer *5 440 V-60 Hz-Quelle entnommen werden kann.

Eine programmgesteuerte Regelvorrichtung 40 enthält eine elektrische Schaltung mit wenigstens zwei Thermoelementen 42 und 44, die in Serie mit einem Temperaturüberwachungsgerät 46 zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Schmelztiegels 10 liegen. Das Thermoelement 42 tastet die Temperatur des Schmelztiegels ab, wohingegen das Thermoelement 44 die Temperatur einer Vorrichtung 71 zur Aufnahme und Verteilung von Wärme eines Wärmespeichers abtastet, der einen der Programmierung dienenden Widerstand 50 aufweist.

Wie die F i g. 2 zeigt, nimmt die vom Thermoelement 42 abgetastete Temperatur des Schmelztiegels bei einem Stromausfall oder einer vorübergehenden Abschaltung des Schmelztiegels zum Zwecke der Reinigung od. dgl. entsprechend einer Abkühlkurve 54 ab. Die Temperatur-Zeit-Kurve 56 der Vorrichtung 71, welche vom Widerstand 50 aufgeheizt wird, ist nun umgekehrt proportional zu dieser Abkühlkurve 54; die Temperatur des Widerstandes erhöht sich entsprechend dem von einer Batterie 60, beispielsweise einer 1,25-V-Burgess-Batterie, zugeführten Strom.

Der Speicherwiderstand 50 wird immer dann mit Energie versorgt, wenn die Energiezufuhr über die Speiseleitungen 18 für den Schmelztiegel ausfällt oder abgeschaltet wird, da bei fehlender Energiezufuhr ein Relais 62 Kontakte 64 schließt, wodurch der Stromkreis für die Elemente 50,60 und 64 geschlossen wird.

Der Widerstand 50 ist in Isoliermaterial 60, beispielsweise in Glasfasern, eingebettet und das Isoliermaterial mitsamt dem Widerstand 50 ist von einer Vorrichtung 71 zur Aufnahme und Verteilung der entstehenden Wärme umgeben und in ein Gehäuse 70 eingeschlossen. Die Temperatur-Zeit-Charakteristik des Wärme-Speichers ist derart, daß bei einer Unterbrechung der Energiezufuhr zum Widerstand 50 die Temperatur dieses Widerstandes, wie sie vom Thermoelement 44 an der Vorrichtung 71 abgetastet wird, exponentiell während eines Zeitintervalls abnimmt, das logarithmisch proportional zu dem Zeitintervall ist, während dessen dem Widerstand 50 Energie zugeführt worden war; eine Unterbrechung der Energiezufuhr zum Widerstand 50 findet dann statt, wenn an den Speiseleitungen

ϊ 540 999

18 wieder Energie anliegt, was zum Anziehen des Relais 62 und zum Öffnen der Kontakte 64 führt. Das Thermoelement 44 gibt daher ein Hilfssignal ab, das dem vom Thermoelement 42 des Schmelztiegels abgegebenen Signal additiv überlagert wird, so daß im Temperaturüberwachungsgerät 46 ein Steuersignal zur Steuerung derjenigen Leistung wirksam ist, die die sättigbare Kerndrossel 16 am Transformator 14 zur Versorgung des Schmelztiegels 10 freigibt, und daß außerdem der Steuerung der Aufheizgeschwindigkeit des Schmelztiegels bei dessen Anheizen während des Abkühlens des Widerstandes 50 dient.

Wenn Bauelemente mit im wesentlichen komplementären Kuven 54 und 56 verwendet werden, so gibt die Serienschaltung der Thermoelemente 42 und 44 ein im wesentlichen konstantes Signal an das Temperaturüberwachungsgerät ab, was die Zuführung einer im wesentlichen konstanten Heizleistung zu den Speiseleistungen 18 während der Anheizperiode des Schmelztiegels zur Folge hat. Infolgedessen wird der Heizstrom durch den Schmelztiegel, der andernfalls einen stromstoßartigen Verlauf hätte, auf einen im wesentlichen konstanten Wert während der Aufheizperiode beschränkt, so daß die Notwendigkeit für mühsame und zufällige, ungenaue Handeinstellungen der Heizleistung entfällt.

An Stelle eines Stromstoßes, den das einen kalten Schmelztiegels abtastende Thermoelement 42 allein erzeugen würde, erzeugt der Widerstand 50 hierzu ein komplementäres Steuersignal im Thermoelement 44, so daß zur Steuerung der sättigbaren Kerndrossel 16 eine wesentlich höhere Schmelztiegeltemperatur simuliert wird, als dies tatsächlich der Fall ist. Infolgedessen beschränkt das Temperaturüberwachungsgerät 46 den in der sättigbaren Kerndrossel 16 von den Speiseleitungen 18 zum Schmelztiegel 10 fließenden Strom, wobei sich die Temperatur des Schmelztiegels kontinuierlich erhöht. Entsprechend erzeugt das dem Schmelztiegel zugeordnete Thermoelement 42 nach und nach ein anwachsendes Steuersignal, dessen Zunahme der Abnahme des Einflusses des dem Wärmespeicher zugeordneten Thermoelementes 44 entspricht. Mit anderen Worten erzeugt der Wärmespeicher ein Hilfsregelsignal, das von dem Abschalten der Stromversorgung für den Schmelztiegel abhängig ist und das zusammen mit dem Signal des Thermoelementes 42 eine »falsche« Anzeige für das Temperaturüberwachungsgerät liefert, die einer Temperatur eines sich im vollen Betriebszustand befindlichen Schmelztiegels entspricht.

Dieses Hilfsregelsignal wächst mit einer Geschwindigkeit an, die der Abkühlgeschwindigkeit des Schmelztiegels angepaßt ist, und es führt bei der Addition zu dem vom Thermoelement 42. gegebenen Signal zu einem Signal, das im wesentlichem demjenigen gleichkommt, das das Thermoelement 42 bei der Betriebstemperatur des Schmelztiegels abgibt. In diesem Sinne bewirkt die Kombination des Wärmespeichers mit dem übrigen System, daß das Temperaturüberwachungsgerät sich der Betriebstemperatur des Schmelztiegels im Zeitpunkt der Abschaltung der Stromversorgung erinnert, unabhängig von der Zeitdauer des Abschaltens oder des Ausfalles der Stromversorgung. Bei der Rückkehr der Stromversorgung begrenzt die Regelvorrichtung die dem Schmelztiegel zugeführte Leistung auf einen unschädlichen Wert so lange, bis die Temperatur auf die ursprüngliche Betriebstemperatur erhöht ist.

Das Gehäuse 70 kann im allgemeinen die Form einer Pillenschachtel mit einem Verschlußdeckel 70 haben und vervollständigt den Abschluß des eingebetteten

ίο Widerstandes 50, der Vorrichtung 71, und des Thermoelementes 44. Ein die Vorrichtung 71 bildendes Kupferrohr dient zur Speicherung der Wärme, die vom Widerstand 50 abgegeben wird und ist ein äußerst wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Temperatur-Zeit-Charakteristik des Wärmespeichers.

Alle Verbindungen der Thermoelemente mit Drähten 73 können Lötverbindungen sein, die mit Stücken eines Bandes 74 umwickelt sind. Die Drähte der Thermoelemente sind mit 73 bezeichnet. Ein hitzebeständi-

ao ges Band 75 kann zwischen dem Speicherwiderstand 50 und dem Thermoelement 44 angeordnet sein, und eine zusätzliche Umhüllung mit einem temperaturbeständi- ί gen Band 76 kann zum Einhüllen des Thermoelementes und zum Auffüllen des die Vorrichtung 71 bildenden

as Kupferrohres verwendet werden, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist.

Es kann ein zusätzliches, weiteres Thermoelement oder eine Anordnung von Thermoelementen vorgesehen sein, die parallel oder in Serie geschaltet sein können, um andere Temperatur-Zeit-Kurven zu erhalten, wie sie in den F i g. 4 und 5 dargestellt sind. Zum Aufladen der Batterie 60 kann ein Ladegerät 80 vorgesehen sein, das dann in Tätigkeit tritt, wenn den Speiseleitungen 18 wieder Strom zugeführt wird.

Der Widerstand 50 kann durch andere analoge Programmierelemente ersetzt werden, um überlagerbare und kompensierende Signale zur Steuerung der der Primärwicklung des Transformators 14 zugeführten Leistung zu erzeugen. ■ ■

Obwohl erwähnt ist, daß das Thermoelement innerhalb des Wärmespeichers die Temperatur des Widerstandes 50 abtastet, so ist es doch auch möglich, das Thermoelement an jedem gewünschten Punkt des , Wärmespeichers anzuordnen. ν

Ein besonderer Vorteil der Regelvorrichtung ist auch darin zu sehen, daß die Energiezufuhr zum Schmelztiegel 10 nicht abgestellt werden muß, um die Temperatur des Schmelztiegels zu erniedrigen, beispielsweise um Reinigungsarbeiten durchzuführen. Wird nämlich während des normalen Betriebs der Widerstand 50 beispielsweise durch Schließen der Kontakte 64 erhitzt, so stellt das Temperaturüberwachungsgerät »fälschlicherweise« eine Temperaturzunahme fest und beschränkt die dem Schmelztiegel zugeführte Leistung, so daß sich der Schmelztiegel auf eine Temperatur abkühlt, die die Reinigungsarbeiten gestattet. Dann werden die Kontakte 64 wieder geöffnet, der Wärmespeicher kühlt sich ab und die angemessene Leistung wird wieder dem Schmelztiegel zugeführt, um ihn auf seine Betriebstemperatur zu bringen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der einer elektrisch zu beheizenden Vorrichtung, Ofen od. dgl., insbesondere eines Schmelztiegels zur Glasfadenherstellung, zugeführten Heizleistung, mit mindestens zwei Thermoelementen, von denen eines die Temperatur des Ofens abgreift und mindestens ein anderes in Abhängigkeit vom Beheizungszustand des Ofens durch einen speziellen Widerstand beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur stoßfreien Erreichung einer vorbestimmten Betriebstemperatur ein programmiertes, an die Temperatur-Zeit-Abkühlungscharakteristik des zu beheizenden Ofens angepaßtes und zu dieser annähernd umgekehrt proportionales Hilfsregelsignal vorgegeben wird, wobei dieses Hilfsregelsignal von der Temperatur des Ofens beim Einschalten der Heizleistung abhängig gemacht wird derart, daß der Ofen durch Steuerung mit Hilfe dieses Signals mit einer Geschwindigkeit aufgeheizt wird, die zum Temperatur-Zeitverlauf bei der Abkühlung des Ofens umgekehrt proportional ist.

2. Regelvorrichtung für elektrische Heizvorrichtung an Öfen, insbesondere an einem Schmelztiegel zur Glasfadenherstellung, mit mindestens zwei auf ein, die Heizleistung steuerndes und eine yorbestimmte Temperatur aufrechterhaltendes Temperatur-Überwachungsgerät arbeitenden Thermoelementen, von welchen eines die Temperatur des Ofens abgreift und mindestens ein anderes in Abhängigkeit vom Beheizungszustand des Ofens durch einen speziellen Widerstand beheizt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Thermoelement (44) zusammen mit einem Wärmespeicher (70) eine bei Ausfall oder Rückgang der Beheizung des Ofens (10) in Gang gesetzte Hilfssignalquelle bildet mit einer zum Ofen (10) annähernd umgekehrt proportionalen Temperatur-Zeitcharakteristik zur Simulierung eines dem Temperatur-Überwachungsgerät (46) zugeführten, dem Regelsignal des ersten Thermoelementes bei Betriebstemperatur des Ofens gleichen Summensignals.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2_V dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (Widerstand 50) für den Wärmespeicher (70) vom Heizkreis (14) des Ofens (10) unabhängig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (70) mit wärmeisolierendem Werkstoff (68) versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Widerstand (50) eine Vorrichtung (71) zur Aufnahme und Verteilung der Wärme zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Versorgungskreis des Widerstands (50) für den Wärmespeicher (70) ein von dem Heizkreis für den Ofen (10) erregtes Relais (62) vorgesehen ist, dessen Ruhekontakt (64) im Heizkreis des Widerstands (50) liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromversorgung des Widerstands (50) eine Batterie (60) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterie (60) eine bei stromführendem Heizkreis (14) für den Ofen (10) wirksame Ladeschaltung (80) zugeordnet ist.