DE2345234A1 - Temperaturregelungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelungsschaltung für einen von einem Behälter aufgenommenen Bauteil unter Verwendung eines Temperaturfühlers zur Peststellung der Temperatur des Bauteiles und einer Heizvorrichtung zur Erwärmung des Bauteiles, "bei den aus der Abweichung der vorn Temperaturfühler aufgenommenen Temperatur von einer Bezugstemperatur ein Signal abgeleitet und zur Betätigung der Heizvorrichtung verwendet wird. Als temperaturgeregeltes Element, das in dem Behälter angeordnet ist, kommt z.B. ein Kristall-Oszillator in Präge; der Behälter selbst kann z.B. als metallisches Gehäuse, als Ofen ο.dgl. ausgebildet sein.

Derartige Schaltungen bzw. Vorrichtungen zur thermostatisehen Temperaturregelung sind bekannt. Dabei ist normalerweise ein netzwerk vorgesehen, das einen temperaturempfindlichen Widerstand, einen Gleichspannungsverstärker, einen Leistungsverstärker und eine Heizvorrichtung aufweist. Von dem temperaturempfindlichen Widerstand wird die Abweichung der tatsächlichen Temperatur des

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thermostatisch zu regelnden Behälters bzw. Ofens von einer ebenfalls mit Hilfe des Netzwerkes (beispielsweise einer Brückenschaltung) festgelegten Bezugsteraperatur festgestellt. Der Heizvorrichtung wird dann elektrische Leistung zugeführt, die dieser Abweichung proportional ist. Derartige Systeme mit einer der Temperaturabweichung vom Sollwert proportionalen Leistungszuführung zur Heizvorrichtung werden im folgenden als Proportional-Regelsysteme bezeichnet. Als Folge dieser Proportionalität ergibt sich bei kleiner werdender Abweichung auch eine entsprechend kleinere Leistungszuführung und damit unvermeidlicherweise auch eine gewisse verbleibende Eestabweichung (Offset). Die Temperatur in dem thermostatisch geregelten Ofen hängt zudem auch von Störungen ab, die auf das Regelsystem einwirken (z.B. Veränderungen in der Umgebungstemperatur, Speisespannung, Verstärkungsfaktor usw.).

Um diese Abweichung (Offset) auszugleichen, kann man nun einerseits den Verstärkungsfaktor des verwendeten Verstärkers erhöhen. Tatsächlich bereitet diese Maßnahme jedoch gewisse Schwierigkeiten. Eine dieser Schwierigkeiten besteht z.B. darin, daß bei Verwendung eines metallischen Widerstandes als temperaturempfindlicher Widerstand ein sehr komplizierter Verstärker verwendet werden muii, um überhaupt einen ausreichenden Verstärkungsfaktor dr.: Regelsystem zu erreichen. Hebt man jedoch den Verstärkungsfaktor übermäßig an, dann ist es gelegentlich so, daß die notwendige Phasenbeziehung des Regelsystems verlorengeht und deshalb Instabilitäten auftreten.

Es ist auch ein Temperaturregelsystem bekannt geworden, das sowohl proportionale Werte bildet, als auch Differentiationen und Integrationen vornimmt, um die Abweichung (Offset) zu verringern und die Stabilität zu erhöhen. Dieses Regelungssystem verwendet jedoch eine sehr komplizierte Schaltung und ist äußerst schwierig einzustellen (vgl. D.P.Eckmann, "Automatic Process Control", Verlag John Wiley & Sons (1955), Inc., S. 71-73).

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperaturregelungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist, und bei der insbesondere die verbleibende Restabweichung (Offset) erheblich geringer ist. Dabei soll ferner eine möglichst kleine Baugrlße, eine billige Herstellung und eine geringe Beeinflußbarkeit durch andere Störgrößen gegeben sein.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß das Signal in einem Integi'.ator integriert wird und das vom Integrator abgegebene Signal die Leistungszuführung zur Heizvorrichtung betätigt.

Die Leistungszuführung zur Heizvorrichtung, z.B. einem Heizwiderstand erfolgt also stetig solange, bis die Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der Bezugsteraperatur verschwindet. Demgemäß wird im Idealfall, in dem der Verstärkungsfaktor und der Eingangswiderstand des einen Bestandteil des Integrators bildenden Verstärkers unendlich und die Ausgangsinpedanz gleich null ist, auch die verbleibende Restabweichung (Offset) gleich null. Ferner treten kaum irgendwelche Auswirkungen von Störeinflüssen auf. Man kann einen kleinen und billigen Integrationsverstärker zur linearen Verstärkung, der diese idealen Bedingungen relativ gut annähert, durch Verwendung integrierter Schaltungen leicht schaffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Proportional-Regelgerätes unter Verwendung eines Gleichstromverstärkers;

Figur 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Proportional-Regelgerätes unter Verwendung eines Wechselstrom-Verstärkers ;

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Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung

eines Integrationsverstärkers; Figur 4 ein thermostatischer Ofen.

Die in Figur 1 dargestellte Brückenschaltung besteht aus den Widerständen R-J₁? R ^, und R^ mit festen Widerstandswerten und aus dem temperatur-empfindlichen, d.h. hinsichtlich seines Widerstandswertes temperaturabhängigen Widerstand R^₂* dessen Widerstandskoefficient negativ ist. Die Brückenschaltung wird von einer Leistungsquelle mit der Spannung E gespeist. Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung ist proportional zur Abweichung der tatsächlichen Temperatur von einer Bezugstemperatur, die durch die Abgleichbedingungen der Brückenschaltung eingestellt ist. Die Ausgangsspannung gelangt über den Widerstand R._r an einen Gleichspannungsverstärker/U₁... Die Spannung am Ausgang des Gleichspannungsverstärkers /U₁₁ wird über einen Widerstand R₁^ an dessen Eingang rückgekoppelt. Außerdem wird das Ausgangssignal des Verstärkers /U^₁ in einem Leistungsverstärker /U_1? leistungsverstärkt; die abgegebene Leistung wird dem Heizwiderstand RjT₁₁ zugeführt. Ejj ist die Spannung der Leistungsversorgung für die durch den Heizwiderstand RtT₁₁ gebildeten Heizvorrichtung. Bei dieser Anordnung ist die der Heizvorrichtung zugeführte Leistung proportional der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der Bezugstemperatur. Der Verstärkungsfaktor des Gleichspannungsverstärkers ist kleiner als R₁₆ZR₁₅ und liegt ungefähr um 60 - 70 d.B. Im Falle der Verwendung eines temperaturempfindlichen Widerstandes mit geringem Temperaturkoefficienten (z.B. eines metallischen Widerstandsdrahtes) ist der Verstärkungsfaktor des gesamten Regelungssystems selbst dann sehr klein, wenn man um die Effektivität der Temperaturregelung zu verbessern, einen Verstärker mit an sich sehr hohem Verstärkungsfaktor verwendet.

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Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer bekannten Proportional-Regelungs-Sinrichtung. Sie ist unter Verwendung des Verstärkers /U₂^ und einer Brückenschaltung in der Rückkopplungsschleife als Oszillator aufgebaut. Letztere wird durch Widerstände R₀₁ und Rp. mit festen Widerstandswerten und temperaturempfindliche Widerstände Rpp ^u^d R^, mit positivem Temperaturkoefficienten gebildet. Der Pegel des Ausgangssignals des Oszillators ist der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der Bezugstemperatur proportional, die durch die Abgleichbedingungen der Brückenschaltung bestimmt ist. Das Äusgangssignal wird in dem Leistungsverstärker /^U22 ^vers"fcärkt. Die Leistung des Ausgangs desselben wird dem Heizwiderstand Rjj21 zugeführt. Auch dabei ist die Heizleistung Proportional der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der Bezugstemperatur. Der Verstärker /Up., ist ein Wechselstromverstärker; das erlaubt zwar wegen der hohen Stabilität der Verstärkung einen hohen Verstärkungsfaktor und damit die Verwendung temperaturempfindlicher Widerstände mit geringen Temperaturkoefficienten, die Schaltung ist jedoch kompliziert. Bei Verwendung des metallischen Widerstandsdrahtes in Form einer Wendel ergeben sich für die Frequenz des Oszillators und den Verstärkungsfaktor gewisse Einschränkungen auf Grund der Frequenzcharakteristik der Impedanz des Widerstandes. Außerdem wirkt sich die Verwendung eines Oszillators nachteilig als Rauschen auf die in einem Ofen installierten Vorrichtungen aus.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Integrationsregelgerätes gemäß der Erfindung. Die festen Widerstände R~p und E„ und die temperaturempfindlichen Widerstände R^.. und R.,, mit positivem Temperaturkoefficienten bilden eine Brückenschaltung, der über Widerstände R,t- und R^g eine Versorgungsspannung zugeführt wird. Der Ausgang der Brückenschaltung gelangt über die Widerstände R^₇ und R^₈ an den Gleichstromverstärker /U^₁. Die Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers wird über eine Kapazität C₅₁ an dess.en Eingang zurückgekoppelt. Gleichzeitig v/ird der Ausgang des Gleichspannungsverstärkers mit Hilfe eines durch den Transistor TR-Z₁ gebildeten Leistungsverstärkers in elektrische Leistung umgesetzt, die dem Heizwiderstand Rjrs-i zugeführt wird.

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Der Verstärker /u-z+, der Widerstand R^₇ und die Kapazität G^₁ stellen einen Integrationsverstärker mit der Zeitkonstante ■^37*^31 ^^ar' dessen Ausgangs signal das Integral des Ausgangs der Brückenschaltung ist. Die Zuführung der vollen elektrischen Leistung erfolgt solange, bis die Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der Bezugstemperatur, die durch die Abgleichbedingungen der Brückenschaltung bestimmt wird, fast gleich null ist. Dieser Vorgang ist einer außerordentlich großen Verstärkung äquivalent. Die Widerstände R-- und R,^ dienen dazu, die Versorgungsspannung der Brückenschaltung so einzustellen, daß einerseits eine Selbstaufheizung der temperaturempfindlichen Widerstände vermieden v/ird und andererseits an ihnen keine Vorspannung für den Verstärker /vu-abfällt. Man kann mit dieser Schaltung metallische Widerstände mit vergleichsweise geringem Widerstand und geringem Widerstandskoefficienten als temperaturempfindliche Widerstände verwenden und zur linearen Verstärkung, nämlich mit Hilfe des Verstärkers au.. , eine Integrationsschaltung verwenden. Der Widerstand R^g dient zum Abgleich der Eingangswiderstände am Eingang des Verstärkers ;u,<, Die Zeitkonstante R^₇.C,.. kann im Hinblick auf die gegebenen Einsatzbedingungen in geeigneter Weise so gewählt werden, daß ein stabiler Betrieb gewährleistet ist. Dabei muß die Wärmezeitkonstante zwischen Heizwiderstand und den temperaturempfindlichen Widerständen berücksichtigt werden. Eine zu kurze Zeitkonstante kann zu zyklischen Veränderungen des Pegels am Ausgang des Verstärkers /U^₁ führen. Eine zu lange Zeitkonstante kann deshalb nicht verwirklicht werden, weil es für den Widerstand R^₇ einen oberen Grenzwert gibt, der durch die Kennlinie des Verstärkers /U^₁ festliegt und weil der Wert der Kapazität C^^ nicht beliebig hoch gewählt werden kann. Der optimale Wert der Zeitkonstante muß durch entsprechende Versuche ermittelt werden.

Figur 4 zeigt einen thermostatisch geregelten Ofen, bei dem eine Temperaturregelungsschaltung nach Fig. 3 Anwendung findet. Er besteht aus einem Vakuumbehälter 1, einer Abdeckung 2 für den Vakuuffibehälter, einem Element 3 z.B. einem Kristall-Oszillator,

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dessen Temperatur geregelt werden soll, einem metallischem Gehäuse 4_f das das Element 3 umgibt, einem Heizdraht 5, der um die Oberfläche des metallischen Gehäuses gewickelt ist, einem temperaturempfindlichen Widerstand 6, einem Stützteil 7 zur Halterung des metallischen Gehäuses 4 an der Kappe 2, Ausgangsklemmen ~, Leitungsverbindungen 9 zura Anschluß des Heizdrahteti 5, des Tenperaturerapfindlichen Widerstandes 6 und des Elementes 3 an die Ausgangskieramen S, sowie einem Gehäuseabdeckteil 10.

Die Abmessungen sind folgende:

Gehäuseabdeckteil 10: 80 χ 80 χ 160 mm Vakuumbehälter 1:

Innendurchmesser:

Außendurchmesser:

Tiefe:
Metallisches Gehäuse 4:

Innendurchmesser:

Au:3endurchmesser:

Länge:

(aus Aluminium)
Widerstand des Heizdrahtes 5
(Kupfer-Nickel-Legierung)

Temperaturempfindlicher Widerstand 6: Platindraht Zeitkonstante des Widerstandes 6: ungefähr 0,001 see. Totzeit des Widerstandes: ungefähr 1 see. Zeitkonstante zwischen den metallischen Gehäusen und der Atmosphäre: ca. 2,5 Stunden.

Zusammen mit diesem thermostatischen Ofen wurden bei der Temperaturregelungsschaltung nach Figur 3 folgende Werte gewählt: Die Brückenschaltung bestand aus zwei Platinwiderstandsdrähten mit je 100 0hm bei O⁰G und zwei Kuper-Nickeldrähten von je 123 Ohm. Die Zeitkonstante des Integrationsverstärkers wurde auf 0,005 see. ⁴ Tigest^Ilt. Die Durchschnittstemperatur im Ofen betrug 60 C. Die

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60	mm
76	mm
140	mm
40	mm
54	mm
66	mm
100	0hm

Temperaturabweichung lag im Bereich von - O.O1 C bei einer Schwankung der Umgebungstemperatur im Bereich von 0-5O⁰C bzw. bei einer Spannungsänderung der Leistungsversorgung von - 10 fo. Die minimalisierte Temperaturabweichung betrug ein Viertel des Wertes der Temperaturabweichung eines Proportional-Regelgerätes, und ein Zehntel im Vergleich mit einem Proportional-Regelgerät bei einer Spannungsänderung der Leistungsversorgung.

In Abweichung von dem an Hand von Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem zwei temperaturempfindliche Widerstände mit positiven Temperaturkoefficienten als Temperaturfühler eingesetzt worden sind, ist es bei Verwendung eines einzigen temperaturempfindlichen Widerstandes mit positiven Temperaturkoefficienten auch möglich, ihn mit einem temperaturempfindlichen Widerstand mit negativem Temperaturkoefficienten oder mit einem thermoelektrischen Element oder einem Element, dessen magnetische Permeabilität in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist, o.a. zu kombinieren. Per Heizwiderstand R₁₁₃₁ kann durch eine endothermische

np ι

Vorrichtung, z.B. ein Peltier-Element, ersetzt werden.

Aus der vorhergehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele geht hervor, daß eine, insbesondere für thermostatisch geregelte Ofen geeignete Temperaturregelungsschaltung geschaffen worden ist, bei der die verbleibende Restabweichung (Offset) außerordentlich gering ist und die nur in sehr geringem Umfang durch Fremdeinflüsse gestört werden kann. Ein entsprechendes Gerät ist auch in seinen Abmessungen sehr klein, mit geringen Kosten herstellbar und weist dennoch eine sehr hohe Stabilität auf, da für die lineare Verstärkung als Integrationsverstärker integrierte Schaltungen verwendet werden können.

/ ^ _n r, - Patentansprüche ; A098U/0869

Claims (1)

Patentansprüche

1. J Temperaturregelungsschaltung für einen von einem Behälter aufgenommenen Bauteil unter Verwendung eines Temperaturfühlers zur Feststellung der Temperatur des Bauteiles und einer Heizvorrichtung zur Erwärmung des Sauteiles, bei dem aus der Abweichung der vom Temperaturfühler aufgenommenen Temperatur von einer Bezugstemperatur ein Signal abgeleitet und zur Betätigung der Heizvorrichtung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal in einem Integrator ( au.. »CU« ,H, γ) integriert wird und das von dem Integrator abgegebene Signal die Leistungszuführung

zur Heizvorrichtung

betätigt

Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Heizvorrichtung (Rjj^-j) über einen Schalter (TIU..) von einer Leistungsquelle (E) her erfolgt, der von dem von dem Integrator ( /iu.. ,Cz₁ ,R
angesteuert wird.

abgegebenen Signal

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