DE2348770B2

DE2348770B2 - Schaltungsanordnung zur vollautomatischen Regelung der Temperaturverteilung in Temperaturgradientöfen

Info

Publication number: DE2348770B2
Application number: DE2348770A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Phys. Dr. 6101 Eschollbruecken Eiermann
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2348770A1; DE2348770C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur vollautomatischen Regelung der Temperaturverteilung in Temperaturgradientöfen, durch Aufteilung der Heizwicklung in mehrere Heizabschnitte und Zuordnung jeweils eines eigenen Temperaturfühlers und Reglers zu den einzelnen Heizabschnitten, wobei die Sollwerte dieser Regler durch eine Kompensationsschaltung vorgegeben werden.

Bei der Prüfung von Werkstoffen, wie z. B. keramischer Farbkörper, Glasuren oder Schmelzfarben, muß häufig die Abhängigkeit verschiedener Stoffeigenschaften, wie beispielsweise Farbton oder Oberflächenfehler, von der Brenntemperatur ermittelt werden. Rationellstes Hilfsmittel zur Bestimmung dieser Abhängigkeit ist der Temperaturgradientofen, meist ein Röhrenofen, in dem die Temperatur längs des Heizrohres stetig ansteigt

Bei den bisher bekannten Temperaturgradientöfen wird der Temperaturgradient längs des Heizrohres im allgemeinen dadurch erreicht, daß die Wicklung des Widerstandsdrahtes auf dem Heizrohr nicht mit konstanter, sondern mit einer stetig veränderten Steigung aufgebracht ist. Bei dieser Anordnung kann aber der durch die Ofenwicklung einmal vorgegebene

ίο Temperaturgradient nur innerhalb enger Grenzen willkürlich verändert werden und sich andererseits durch Alterung der Heizwicklung unerwünscht und nicht korrigierbar von selbst ändern.

Es ist daher auch eine andere Ofenkonstruktion bekannt, bei der die mit gleichmäßiger Steigung auf das Heizrohr aufgebrachte Heizwicklung in mehrere Abschnitte aufgeteilt ist (DE-GM 19 01850). Durch Parallelschalten verschieden großer externer Widerstände zu den einzelnen Abschnitten der Heizwicklung wird erreicht, daß die verschiedenen Ofenabschnitte verschieden stark aufgeheizt werden, wodurch sich ein Temperaturgradient im Heizrohr einstellen läßt. Eine Änderung oder durch Alterung der Heizwicklung erforderlich gewordene Nachjustierung des Temperaturgradienten ist bei diesem Ofentyp zwar möglich; sie kann aber nur mit einem erheblichen Zeitaufwand durchgeführt werden.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltanordnung für die vollautomatische Regelung der Temperaturverteilung in Temperaturgradientöfen zu finden, die eine Nachjustierung des Temperaturgradienten erübrigt und eine Änderung des Temperaturgradienten in weiten Grenzen gestattet.
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die Heizwicklung des Ofens in mehrere Heizabschnitte aufgeteilt ist, die während der Aufheiz- und Haltephase des Heizstroms stets verschiedene, untereinander abgestimmte Temperaturwerte besitzen, wobei jedem Heizabschnitt ein eigener Temperaturfühler und ein

4i) eigener Regler zugeordnet sind und die Extremwerte, d. h. die Temperaturen der jeweils kältesten und heißesten Zone vorgegeben werden, wobei erfindungsgemäß die Sollwerte dieser Regler durch eine Kompensationsschaltung vorgegeben werden, die so

v> aufgebaut ist, daß die Vorgabe der Extremwerte in an sich bekannter Weise an entsprechenden Anzeigesystemen erfolgt und die Sollwerte der dazwischenliegenden Heizzonen sich durch eine Spannungsteilerschaltung automatisch ergeben.

Temperaturgradientöfen, die mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgestattet sind, können verhältnismäßig einfach, mit wenigen Handgriffen, in ihren Temperaturgradienten in weiten Grenzen verändert werden. Eine Alterung der Heizwicklung hat keinen Einfluß auf den Temperaturgradienten. Außerdem sind auch die Aufheiz- und Abkühlphase des Ofens geregelt, und zwar derart, daß auch während des Aufheiz- und Abkühlvorgangs der Temperaturgradient längs des Heizrohres aufrechterhalten wird. Aufheiz-

wi und Abkühlgeschwindigkeit sind in weiten Grenzen frei wählbar und werden durch die erfindungsgemäße Regelung exakt eingehalten.

Die Heizwicklung des Temperaturgradientofens ist in mehrere Abschnitte aufgeteilt, wobei die einzelnen

6^r> Abschnitte sowohl galvanisch getrennt, als auch, was oft ofenbautechnisch günstiger ist, miteinander in Art einer Reihenschaltung verbunden sein können.

Bei galvanisch getrennten Heizwicklungen ist ein

direkter Netzbetrieb möglich, wobei jeder einzelne Wickelabschnitt direkt mit Netzspannung versorgt wird. Aus Leistungsanpassungsgründen setzt man jedoch zweckmäßigerweise einen Anpassungstransformator ein.

Bei einer Heizrohrkonstruktion, bei der die einzelnen Wickelabschnitte leitend miteinander verbunden sind, ist prinzipiell ein Transformator erforderlich, wobei für jeden Abschnitt eine eigene, von den anderen galvanisch getrennte Transformatorwicklung vorzusehen ist.

Durch elektronische oder elektromechanische Schütze werden die einzelnen Heizwicklungen während des Regelungsvorgangs im Betriebszustand ein- und ausgeschaltet. Die Temperatur im Heizrohr wird mit Fühlern, wie z. B. Thermoelementen, gemessen, und zwar wird jedem Rohrabschnitt, der einen Abschnitt der Heizwicklung trägt, ein solcher Thermofühler zugeordnet.

Zweckmäßigerweise baut man diese Thermoelemente so auf, daß für alle Elemente eine gemeinsame TemperaturvergleichssteUe (Tv_crgi.) vorgesehen ist. Außerdem sollte man aus Genauigkeitsgründen darauf achten, daß der Thermodraht für sämtliche Thermoelemente von derselben Drahtrolle fortlaufend entnommen wird.

Prinzipiell könnte man den Temperaturgradienten im Heizrohr dadurch einstellen, daß man für jeden Heizabschnitt einen Regler mit eigenem Sollwerteinsteller vorsieht. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß an diese Regler extrem hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden müssen. So müßten beispielsweise bei einem Gradienten von 1000 bis 1050⁰C und einer Anordnung von sechs Heizzonen die einzelnen Regler auf 1000, 1010 usw. bis 1050⁰C eingestellt weiden. Bei einem Fehler von 10% im Gradienten darf z.B. der zweite Regler nur eine Fehlerbreite von 1009 bis 1011°C, also von ± l%o aufweisen. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich diese Regelungsanfordemngen erfüllen: Zur Regelung der einzelnen Heizungsabschnitte werden Regler verwendet, die bei Eingangsspannung Null schalten. Sie sind eingangsseitig zwischen den Thermoelementanschluß, der zu dem jeweiligen Heizabschnitt gehört, und einem entsprechenden Anschluß einer Kompensationsschaltung angeschlossen. Diese Kompensationsschaltung gibt die Sollwerte der Temperaturen der einzelnen Heizzonen während der Aufheiz-, der Halte- und der Abkühlphase des Ofens in Form elektrischer Spannungen vor, entsprechend der Spannungstemperaturkurve der Thermoelemente.

Abbildung I zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine solche erfindungsgemäße Schaltung für einen Ofen mit sechs Heizabschnitten Wi bis Ht. Die Solltemperatur, auf die der Regler Re\ den Heizabschnitt Hi während der Haltephase regeln soll, wird in Form einer Kompensationsspannung U\ für das Thermoelement Γι, ζ. Β. durch ein Potentiometer Pi, vorgegeben. Zweckmäßigerweise betreibt man dieses und auch die weiteren Potentiometer mit Spannungen von der Größenordnung Volt und erzeugt dann die niedrigeren Thermo-Kompensationsspannungen durch Spannungsteilung. Diese Spannungsteiler sind in Abbildung I aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Der Wert dieser Spannung, und damit die Solltemperatur des Reglers Re\ während der Haltephase, wird an Instrument 11 λ abgelesen. Anstelledes Potentiometers P\ können auch digitale Widerstands/Schalterkombinationen verwendet werden.

Die Solltemperatur, auf die der Regler Rct den Heizabschnitt Ht während der Haltephase regeln soll, wird in ähnlicher Weise durch das Potentiometer P_h vorgegeben und am Instrument Ua abgelesen. Für die

■; übrigen Regler Rei bis Re$ wird die Kompensationsspannung durch eine Spannungsteilerschaltung zwischen Pi und Pt eingestellt Bei untereinander gleich großen Spannungsteilerwiderständen R\ bis Ri erreicht man so auf einfache Weise einen linearen Temperatur-Mi gradienten im Heizrohr. Selbstverständlich sind bei geeigneter Wahl der Widerstände andere Kurvenverläufe möglich.

Zur Regelung der Aufheiz- und Abkühlphase des Ofens wird die beschriebene Schaltung um eine Spannungsquelle mit zeitlich veränderlicher Ausgangsspannung Uo erweitert, beispielsweise durch eine Festspannung mit einem Motorpotentiometer P₀. Dabei wird diese Spannung so zugeschaltet, daß sie den Spannungen U\ bis Ut entgegengerichtet ist.

>() Dadurch stellen die Spannungen U\ — U₀ bis Ut-Uo die »momentanen Sollwerte« der Regler Re\ bis Ret dar.

Der momentane Sollwert des Reglers Re\ kann am Instrument Iia der des Reglers Ret am Instrument Kn

r> abgelesen werden.

Ein Temperaturzyklus läuft beispielsweise wie folgt ab: Die Temperatur, die sich später während der Haltephase in der Heizzone H\ einregeln soll, wird am Potentiometer Pi eingestellt und am Instrument li,\

in abgelesen; entsprechend wird die Temperatur, die sich während der Haltephase in der Heizzone Ht einregeln soll, mittels Potentiometer Pt und Instrument Im eingestellt.

Zu Beginn der Aufheizphase stellt man das Motorpo-

r> tentiometer Po von Hand ζ. B. so ein, daß der momentane Sollwert Ut-Ua = O ist; Instrument 16« zeigt dann Null. Während der Aufheizphase wird die Spannung Ua in der Regel zeitlinear verringert, beispielsweise durch den Synchron- oder Schrittmotor

ίο der sechs Regler zeitlinear, und untereinander nach Maßgabe des Spannungsteilers zwischen P, und P_b auch räumlich linear verteilt, exakt und definiert an. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann z. B. dadurch variiert werden, daß man ein Motorpotenitometer mit umschalt-

■n barem Getriebe vorsieht. Eine einfachere und dabei genaue Einstellmöglichkeit erhält man, wenn man das Motorpotentiometer über einen Zeittaktschalter betreibt, dessen Ein/Aus-Zeitverhältnis variabel ist.
Sobald Uo = 0 wird, was durch den Schaltverstärker

ίο Vo signalisiert wird, beginnt die Haltephase. Vo schaltet 7. B. eine Schaltuhr ein, die die Dauer der Haltephase bestimmt.

Nach Ablauf der Schaltuhr beginnt die Abkühlphase, während der — durch Rückwärtslauf des Motorpoten-

Vi tiometers — Uo wieder ansteigt, so daß sich die momentanen Sollwerte zeitlinear verringern. Sobald z.B. der Sollwert Ut-U₀ den Wert Null erreicht hat, spricht der Verstärker Ve an und schaltet die gesamte Anlage aus.

w) Die beschriebene Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie einen vollautomatischen Ofenbetrieb ermöglicht, daß sich die maximale Haltetemperatur, die Haltezeit, der Temperaturgradient, die Aufheizgeschwindigkeit und die Abkühlgeschwindigkeit exakt,

η ; reproduzierbar und vor allem einfach einstellen lassen.

Abbildung II zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf in einem Temperaturgradientofen, der durch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung geregelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur vollautomatischen Regelung der Temperaturverteilung in einem Temperaturgradientenofen, bei dem die Heizwicklung des Ofens in mehrere Heizabschnitte aufgeteilt ist, die während der Aufheiz- und Haltephase des Heizstroms stets verschiedene, untereinander abgestimmte Temperaturwerte besitzen, wobei jedem Heizabschnitt ein eigener Temperaturfühler und ein eigener Regler zugeordnet sind und die Extremwerte, d. h. die Temperaturen der jeweils kältesten und heißesten Zone vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte dieser Regler vorgegeben werden durch eine Kompensationsschaltung, die so aufgebaut ist, daß die Vorgabe der Extremwerte in an sich bekanntet Weise an entsprechenden Anzeigesystemcn erfoigt und die Sollwerte der dazwischenliegenden Heizzonen sich durch eine Spannungsteilerschaltung automatisch ergeben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigesysteme geeichte Potentiometer, digitale Widerstands/Schalterkombinationen und/oder den Einstellpotentiometern parallel geschaltete Anzeigeinstrumente verwendet werden.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen auch in der Aufheiz- und/oder Abkühlphase geregelt betrieben wird, indem eine zusätzliche, zeitlich veränderliche Spannungsquelle derart zu den Kompensationsspannungen für die Haltephase zugeschaltet wird, daß beide einander entgegengeschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Haltezeit eine Zeitsteuerung vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zeitlich veränderlichen Gegenspannung eine Festspannung, kombiniert mit Motorpotentiometer, vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur einfachen genauen Variation der Änderungsgeschwindigkeit der Gegenspannung vor den Antriebsmotor des Motorpotentiometers ein Zeittaktschalter geschaltet wird, dessen Ein/Aus-Zeitverhältnis verstellbar ist