DE2634110A1 - Widerstandsheizelement-einschaltsteuerung zur erzielung eines vorgegebenen temperatur-zeitverlaufs einer kochfluessigkeit - Google Patents

Widerstandsheizelement-einschaltsteuerung zur erzielung eines vorgegebenen temperatur-zeitverlaufs einer kochfluessigkeit

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DE2634110A1
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George E Cook
Neal Sullivan
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Description

29. Juli 1976 A833-O63(I)
Dr. Hans-A. biauns
8 Künchen BS1 Pienzenauarstr. 28
HEUBLEIN3 INC.
Farmington, Conn,, V. St. A.
Widerstandsheizelement-Einschaltsteuerung zur Erzielung eines vorgegebenen Temperatur-Zeitverlaufs einer Kochflüssigkeit
Die Erfindung betrifft Systeme zur Einschaltsteuerung eines elektrischen Widerstandsheizelements und insbesondere Systeme zur Steuerung der Einschaltung eines Widerstandsheizelements, welches im Kochmedium angeordnet ist.
Es sind bereits verschiedene Systeme zum Kochen von Nahrungsmitteln, wie beispielsweise Huhnerteilen, in einem heissen flüssigen Kochmedium, wie flüssigem Fett, bekannt, wie aus den US-PSen 3 245 800, 3 431 834, 3 431 835 und 3 608 4?2 hervorgeht. Gemäss der letztgenannten Patentschrift weist ein bekanntes System dieser Art eine unter Druck stehende Kochkammer auf, welche von einem Vorrat an verflüssigtem Kochmedium beschickt wird, das durch elektrische Widerstandsheizelemente abhängig von einem im Kochmedium angeordneten Thermostaten erhitzt wird.
Wird keine grössere Wärmemenge zugeführt, als zu jedem Zeit-
-V
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A833-63(I)
punkt erforderlich ist, um im Kochsystem eine vorgegebene konstante Temperatur aufrecht zu erhalten, so hat dies nicht nur den Vorteil, dass das Erhitzen der gewünschten Qualität des gekochten Produkt entspricht, sondern ermöglicht auch eine Energieersparung und verlängert die Lebensdauer der Heizelemente und des Kochmediums. Somit führt ein Schaltzyklus der Heizelemente, gemäss welchem eine volle Einschaltung und volle Ausschaltung mehrere Male während des Kochvorgangs erfolgt, wie dies bei einfachen ThermostatSteuerungen der Pail ist, zu einer Verschlechterung der Qualitätsgrenzwerte und begünstigt eine Kohlenstoffablagerung an den Heizelementen und damit eine Qualitätsverschlechterung des Kochmediums.
Die vorausgehend erwähnten Nachteile bekannter Kochanordnungen für Nahrungsmittel fallen stärker ins Gewicht, wenn, wie bei der vorliegenden Erfindung, ein gegebener Kochzyklus vorschreibt, dass sich, die Temperatur des Kochmediums abhängig von der Zeit in vorgegebener"Weise ändert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Einschaltsteuerung eines elektrischen Heizelements zu schaffen, welches die Temperatur eines Kochmediums eng an einen vorgegebenen zeitlich veränderlichen Temperaturverlauf angleicht.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, bei Kochanordnungen für Nahrungsmittel eine Energieeinsparung zu erzielen.
Schliesslich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zur Einschaltsteuerung eines elektrischen Heizelements zu schaffen, um eine Zersetzung eines Kochmediums zu verhindern.
Zur Lösung dieser Aufgaben sieht die Erfindung einen Signalgenerator vor, welcher ein Ausgangssignal mit einer bestimmten Amplituden-Zeit-Kennlinie liefert, die einer entsprechenden
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A833-063(I) "
Heiztemperatur-Zeitkennlinie eines bestimmten Kochzyklusses entspricht, sowie ein temperaturempfindliches, im Kochmedium angeordnetes Element, welches ein Steuersignal entsprechend der Temperatur des Kochmediums erzeugt, sowie einen Schaltkreis, durch welchen ein elektrisches Heizelement mit einer Spannungsquelle verbunden wird, und zwar abhängig sowohl vom Steuersignal und vom Ausgangssignal des Signalgenerators- Die Spannungsquelle liefert vorzugsweise eine Mehrphasenspannung und der Schaltkreis verbindet die Spannungsquelle und das Heizelement jeweils für einen Zeitabschnitt, der den Amplituden sowohl des Steuersignals wie des Ausgangssignals des Signalgenerators proportional ist, wodurch dem Heizelement elektri-, sehe Leistung nur in einem Umfang zugeführt wird, welcher zur Aufrechterhaltung der für das Kochmedium für den Kochzyklüs erforderlichen Temperatur notwendig ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der anschliessenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsschaltbild eines erfindungsgemässen Steuersystems, welches einen Signalgenerator 10, eine Schaltvorrichtung 11 und eine Temperaturrückkopplung in schematischer Weise darstellt,
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer bevorzugten Schaltkreisanordnung für den Verstärker 14 und die Zündsteuerung gemäss Fig. 1, und
Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines bevorzugten Schaltkreises für den Lastkreis 24 gemäss Fig. 1.
Gemäss Fig. 1 liefert ein Signalgenerator 10 ein Gleichstrom-Ausgangssignal, welches über eine Schalteranordnung der Leitung 12 zugeführt wird. Dieses Signal wird in einem Gleichstromverstärker 14 verstärkt, dessen Ausgang über die Leitung 16 einer Zündsteuerung 18 zugeführt wird, welche einen gesteuer-
— 3 _
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ten Siliciumgleichrichter enthält. Die Zündsteuerung 18 liefert einen Spannungsunterschied, nämlich den Spannungsunterschied zwischen ihren Ausgangsleitungen 20 und 22 an einem steuerbaren Siliciumgleichrichter aufweisenden Lastkreis 24-. Der Lastkreis 24 wird mit einer Mehrphasenwechselspannung, beispielsweise einer Dreiphasenwechselspannung, über die Leitungen 26, 28 und 30 versorgt. Der Lastkreis 24 liefert über die Leitung 32 eine Gleichstromerregung an den Zündkreis 18.
Der Signalgenerator 10 weist drei Viderstandszweige B1, B2 und B3 auf, die parallel zwischen einer positiven Spannungsquelle (+V, beispielsweise +15V) und Erde liegen. Der Widerstandszweig B1 enthält in Reihe verbundene Festwiderstände R1, R2 und R3 sowie Regelwiderstände R4 und R5 und ein Potentiometer R6, welches bei M-1 durch eine Kurvenscheibe angetrieben wird und welches von der Servo Instruments Corporation unter der Teile-Nr. 20 TW-16.42 bezogen werden kann. Der Widerstandszweig B1 erzeugt am Verzweigungspunkt J1 eine Amplitude, welche zunächst ein Mass für eine Kochmediumtemperatur von näherungsweise 191° C (375° F) darstellt, wobei ein gesteuerter (programmierter) Abfall abhängig von der Zeit vorgesehen ist, welcher durch den Widerstand R6 erzielt wird und zwar auf eine Amplitude, die einer Kochmediumtemperatur von näherungsweise 121° C (250° F) entspricht.
Der Widerstandszweig B2 des Signalgenerators 10 enthält Festwiderstände R7, R8 sowie einen Regelwiderstand R9 und liefert an der Abzweigung J2 ein Ausgangssignal konstanter Amplitude, welches einer Kochmediumtemperatur von näherungsweise 177° C (350° F) entspricht und welches durch Einstellung eines Schleifers des Widerstands R9 verstellbar ist. Der Widerstandszweig B3 enthält Festwiderstände R10 und R11 und liefert an der Abzweigung J3 ein Ausgangssignal konstanter Amplitude, welches einer Temperatur von näherungsweise 85° C (185° F) entspricht. ......
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Die Abzweigungen J1, J2 und J3 sind über eine Schalteranordnung 11 mit einer Leitung 11a verbunden, die ihrerseits über einen Widerstand R12 an die Leitung 12 angeschlossen ist. Die Widerstände E13 und R14 verbinden die Leitung 12 mit einer negativen Spannung (-V, beispielsweise -15V), wobei der Widerstand R15 den Verbindungspunkt der Widerstände R13 und R14- an Erde legt. E15 ist ein im Handel erhältlicher Platin-Widerstand, welcher in das Heizmedium eintaucht und bei Temperaturänderungen einen positiven Widerstandskoeffizienten aufweist. Dieser Widerstand kann von der Lewis Engineering Company, unter der Produkt-Nr. 1119008,bezogen werden.
Die Schalteranordnung 11 enthält die Schalter S1 und S2. Der Schalter S1 hat einen Kontakt S1-A, welcher mit der Abzweigung J1 verbunden ist, während der Schalterkontakt S1-B über die normalerweise geschlossenen Eontakte R1'-1 des Relais R1' mit der Abzweigung J3 und über die normalerweise geschlossenen Kontakte R1'-2 des Relais R1' mit der Abzweigung J3 verbunden ist. Das Relais R1' ist durch den Schalter S2 einerseits an die Phase L1 und andererseits an den Nulleiter If angeschlossen.
Zwecks Erzeugung von Ausgangssignalen am Signalgenerator 10, welche vorgegebenen Temperaturen entsprechen, die das Heizmedium während unterschiedlicher Kochzyklen und eines Reinigungszyklus aufweisen soll, liefern die Zweigleitungen B1, 332 und B3 Signale mit jeweils unterschiedlichen Charakteristiken. Bei der beabsichtigten Anwendung der Anordnung zum Kochen von Hühnerteilen wird das Ausgangssignal der Zweigleitung B3 während Zeitintervallen verwendet, in welchen es erwünscht ist, die Kochvorrichtung beispielsweise mit Wasser und einer Reinigungslösung zu reinigen, während die Zweigleitung B2 Ausgangssignale zur Zubereitung von gerösteten Hühnern und die Zweigleitung B1 ein Signal liefert, welches beim Kochen gewöhnlicher Hühner verwendet wird. Zur Durchführung des. Reinigungsvorgangs werden die Kontaktarme der Schalter S1 und S2 in die in Fig. 1 gestrichelt angeordneten Stellungen gebracht, wodurch eine Verbindung der Leitung 11a mit der ,Abzweigung J3 über die Kontakte R1'-2
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erfolgt. Zum Kochen von normalen Huhn wird der Kontaktarm des Schalters S1 in die in Fig. 1 voll gezeichnete Stellung ge- " bracht, wobei der Kontaktarm des Schalters S2 in der voll ausgezogenen Stellung liegt, so dass die Abzweigung <J1 unmittelbar mit der Leitung 11a verbunden ist. Zur Zubereitung von geröstetem Huhn wird der Kontaktarm des Schalters S1 in die in 3?ig. 1 gestrichelt eingezeichnete Stellung gebracht und der Kontaktarm des Schalters S2 wird in die voll ausgezogene Stellung verschwenkt, so dass die Abzweigung J2 über die Kontakte R1'-1 mit der Leitung 11a verbunden ist.
Gemäss Fig. 2 enthält der Verstärker 14 ein Paar Operationsverstärker ein s chi ie-s si ich der Verstärkungseinheiten A1 und A2 mit den zugehörigen Eingangs- und Euckkopplungswiderständen E16 bis E22 und einem Ausgangswiderstand Ε23· Die Verstärkereinheiten A1 und A2 können das Motorola-Bauelement MC 174-1 CP1 enthalten. Das Verstärkerausgangssignal auf der Leitung 16 wird der Zündsteuerung 18 in der anschliessend beschriebenen Weise zugeführt.
Die Zündsteuerung 18 ist eine Variante eines mehrphasigen steuerbaren Gleichrichterkreises der gezeigten Bauart und ist im einzelnen in der zweiten Ausgabe des SCE-Handbuchs von General Electric Company auf Seite 127 und den folgenden Seiten beschrieben. Die Zündsteuerung 18 besteht aus Widerständen E24 bis E31, Transistoren Q1 bis Q4, Kondensatoren C1-C2 und einer Zenerdiode D1, welche zwischen den Leitungen 20 und 32 liegt. Der Transistor Q3 ist eine Doppelbasisdiode, deren Zündwinkel steuerbar ist, um zwischen den Leitungen 20 und 22 zu bestimmten Zeiten eine Spannungsänderung zu einem anschliessend erläuterten Zweck zu erhalten. Die Leitung 32 liefert der Zündsteuerung 18 eine Gleichspannung, - wie ebenfalls noch erläutert wird. Der Transistor Q3 und der zugeordnete Kondensator C2 bilden einen Zündkreis mit einem Doppelbasisdioden-Sägezahngenerator, wobei der Zündwinkel des Zündkreises durch Eegelung der Ladung des Kondensators C2 steuerbar ist. Die Ladungsgeschwindigkeit hängt dabei von der Leitung
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im Transistor Q2 ab, die durch das auf der Leitung 16 vorhandene.! vom Gleichstromverstärker 14 kommende Signal beeinflusst wird. Ist Q3 leitend, so än.dert sich die Spannung am Widerstand R28 und liefert einen Spannungsunterschied zwischen den Leitungen 20 und 22. Die Transistoren Q1 und Q4 haben die Aufgabe, eine Zündung von Q3 zu verhindern, wenn der Verzögerungswinkel grosser als 120° gegenüber einer Bezugsphase der Mehrphasenspannung (Fig. 1) ist.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die auf der Leitung 32 der Zündsteuernng 18 zugeführte Spannung durch Gleichrichterdioden D2_bis D4 und einen Widerstand R32 erzeugt wird, und zwar ■ bei positiven Grossen der Breiphasenspannungen auf den Leitungen 26, 28 und 30. Da die positiven Werte zweier einzelner Phasen sich immer zeitlich überlappen, wird die Leitung 32 ständig mit einer Gleichspannung versorgt.
Die Schaltung geiaäss Fig. 3 enthält ein elektrisches Widerstandsheizelement R, eine Sicherung F, steuerbare Siliciumgleichrichter SCR1 bis SCE3 und Dioden D5 bis D7, die jeweils mit den steuerbaren Siliciumgleichrichtern in Eeihe liegen. Die Steuerelektroden G-1, G-2 und G-3 der steuerbaren Siliciumgleichrichter sind über Widerstände R33» R34 uncl R35 miteinander verbunden und sind über normalerweise offene Relaiskontakte R2'-1 mit der Leitung 20 verbunden. Die Kathoden der steuerbaren Siliciumgleichrichter sind miteinander verbunden und sind dann durch die normalerweise offenen Relaiskontakte R2'-2 an die Leitung 22 angeschlossen. Die Relaisspule des Relais R2' liegt zwischen der Leitung 30 und dem Nulleiter in Reihe mit einem Schutzkreis 34, welcher einen Thermostat T zur Verhinderung einer Einschaltung von R21 enthalten kann, für den Fall, dass das Kochmedium über einer vorgegebenen hohen Temperatur liegt, über die hinaus eine zusätzliche Heizung gefahrenvoll wäre. Ist das Relais R21 eingeschaltet, so sind seine Kontakte R2'-1 und R2'-2 geschlossen und stellen eine Verbindung der Leitungen 20 und 22 mit den Steuerelektroden und Kathoden der steuerbaren Siliciumgleichrichter her.
_ π —
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A833-O63CD ·
Hat die Spannung auf der Leitung 26 positive Werte, so ist D7 in Sperrichtung vorgespannt und daher nicht leitend. Hat die Spannuung auf der Leitung 28 positive Werte, so ist entsprechend die Diode D6 nicht leitend und bei positiven Werten der Spannung auf der Leitung 30 ist die Diode D5 nicht leitend. Daher kann ein Stromfluss durch D5 nur auftreten, wenn die Spannung auf der Leitung 30 negative Werte aufweist und ein Stromfluss durch D6 kann nur erfolgen, wenn die Spannung auf der Leitung 28 negative Werte hat, während ein Stromfluss durch Df? erfolgt, wenn die Leitung 26 eine Spannung negativen Vorzeichens führt.
Da sich negative Werte zweier Einzelphasen immer zeitlich überlappen, ist mindestens eine der Dioden D5, D6 und D7 ständig in Durchlassrichtung vorgespannt. Ist somit zwischen den Leitungen 20 und 22 kein Spannungsunterschied vorhanden, d. h. ist kein steuerbarer Gleichrichter gezündet, so ist das Heizelement ständig ausgeschaltet. Ist andererseits ein Zündpotential für einen steuerbaren Gleichrichter zwischen den Leitungen 20 und 22 vorhanden, so erhalten die Steuerelektroden G-1, G-2 und G-3 Steuersignale und schalten dadurch das Heizelement R ein.
Als Folge dieser Svstemanordnung tritt eine Einschaltung des Heizelements H in Zeitintervallen auf, die in ihrer Grosse den Amplituden sowohl des Steuersignals aus dem Temperaturrückkopplungkreis mit den Widerständen R13 und R15 wie auch dem Ausgangssignal des Signalgenerators 10 entsprechen. Somit hängt die Ausgangsspannung des Verstärkers 14- in Pig. 1 von der Spannung an J1, J2 oder J3 ab, welche durch die Einstellung der Schalter S1 und S2 bestimmt und durch den Widerstandswert des Widerstands R15 abhängig vom Heizmedium beeinflusst wird. Liefert dieser Schaltkreis ein Heizbedarfsignal, so wird dieses dem Zündkreis 18 durch eine Spannungsänderung auf der Leitung 16 übertragen und der Zündkreis erzeugt seinerseits einen Spannungsunterschied zwischen den Leitungen 20 und 22, wodurch das Heizelement E eingeschaltet wird. Bei Erzeugung
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A833-O63(I)
eines Heizungsabschaltsignals spricht die Zündsteuerung an, indem.sie den Spannungsunterschied zwischen den Leitungen 20 und 22 nicht aufrechterhält und das Heizelement E wird abgeschaltet, bis das nächste Hexzungsbedarfssignal auftritt.
Die anschliessend aufgeführte Tabelle gibt die verwendeten Bauelemente und Parameter an. Die Widerstände sind in Ohm angegeben und die Kapazitätswerte in Mikrofarad.
E1 8,2 K E29 _ Q _ 390
E2 390 E30 609885/0904 100
R3 560 R31 100
R4 10 K R32 7,5 E
R5 200 E33 24
E6 .125 R34· 24
H7 8,2 K R35 24
E8 330 R • 13,7
E9 200
E1O 8,2 K Cl 1
E11 330 C2 0,5
E12 680 K
HI3 680 K D1 1N4747
R14 8,2 K " D2. 1ΪΓ5060
R15 500 D3 1N5060
E16 330 K D4 1N5060
E17 . 1 M D5 1N3291
E18 470 E D6 13J3291
E19 10 E D7 . 1H3291
E20 10 K
E21 10 K Q1 2N2646
E22 27 E Q2 2N5355
E23 100 E Q3 2N2646
R24 390 2N2923
E25 1,8 K
E26 100 SCR1 2N1916
E27 . 470 SCE2 2N1916
E28 5 E SCR3 2N1916
XO
Abänderungen der Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich und werden im Rahmen der Patentansprüche von diesen mitumfasst.
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Claims (8)

26341 TO A833-O63(I) Patentansprüche
1. ^iderstandsheizelement-Einschaltsteuerung zur Erzielung
eines vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlaufs einer Kochflüssigkeit, welche das Widerstandsheizelement aufnimmt, gekennzeichnet durch
(a) einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dessen Amplituden-Zeit-Verlauf ein Mass für den vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf darstellt,
(b) eine temperaturempfindliche, in der Kochflüssigkeit angeordnete Einrichtung (R15) zur Erzeugung eines Steuersignals, welches ein Mass für die Temperatur der Kochflüssigkeit darstellt und
(c) einen mit dem Signalgenerator und der temperaturempfindlichen Einrichtung verbundenen Schaltkreis, durch welchen das Widerstandsheizelement (E) abhängig von dem Ausgangssignal und dem Steuersignal an eine Spannungsquelle angeschlossen wird.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Mehrphasensparmungsquelle (26, 28, 30) ist und der Schaltkreis das Widerstandsheizelement
(R) mit der Spannungsquelle in Zeitabschnitten verbindet, deren Länge den Amplituden des Ausgangssignals und des Steuersignals proportional ist.
3. Widerstandsheizelement-Einschaltsteuerung zur Versorgung des Widerstandsheizelments mittels einer MehrphasenVersorgung sspannung zur Anpassung der Temperatur eines das Widerstandsheizelement enthaltenden Heizmediums an eine erste oder zweite vorgegebene Temperatur-Zeit-Kennlinie, gekennzeichnet durch . .
(a) einen Signalgenerator (10) zur Erzeugung erster und zweiter Ausgangssignale, deren Amplituden-Zeit-Verlauf jeweils der ersten und zweiten vorgegebenen Temperatur-Zeit-Kennlinie entspricht,
(b) eine Schaltvorrichtung zum Empfang der Ausgangssignale,
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A833-O62(I)
welche derart einstellbar ist, um. ein ausgewähltes Signal der beiden Ausgangssignale dem Ausgang der S chaltvo rri cht ung ζ uz ufuhren,
(c) eine temperaturempfindliche, im Kochmedium angeordnete Einrichtung (R15) zur Erzeugung eines Steuersignals, welches ein Mass für die Temperatur des Kochmediums ist, und
(d) einen mit dem Ausgang der Schaltvorrichtung und der
temperaturempfindlichen Einrichtung verbundenen Schaltkreis, welcher sowohl auf das ausgewählte Ausgangssignal wie auf das Steuersignal anspricht, um das Widerstandsheizelement mit der Spannungsquelle während zeitlicher Bereiche zu verbinden, die den Amplituden sowohl des ausgewählten Ausgangssignals wie des Steuersignal proportional sind.
4-, Steuerung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) einen Schaltkreis zur Erzeugung eines Signals konstanter Amplitude aufweist, welches das erste Ausgangssignal bildet-
5. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) einen Schaltkreis zur Erzeugung eines Signals mit einer Amplitude aufweist, welche sich zeitlich ändert und das zweite Ausgangssignal bildet.
6. Steuerung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) einen ersten Schaltkreis aufweist, welcher ein Signal mit konstanter Amplitude erzeugt, das das erste Ausgangssignal darstellt, sowie einen zweiten Schaltkreis, welcher ein Signal mit einer zeitlich veränderlichen Amplitude erzeugt, das das zweite Ausgangssignal darstellt.
7. Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) ein drittes Ausgangssignal erzeugt, welches eine Amplituden-Zeit-Kennlinie aufweist,
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A833-O63CI)
die ein Mass für einen dritten vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf darstellt und der Signalgenerator einen dritten Schaltkreis enthält, welcher ein Signal konstanter Amplitude erzeugt, das das dritte Ausgangssignal bildet, wobei das erste und das dritte Ausgangssignal jeweils unterschiedliche konstante Amplituden haben.
8. Steuerung nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltkreis einen ersten Kreis enthält, welcher ein zusammengesetztes Signal erzeugt, das ein Mass für die kombinierten Amplituden des ausgewählten Ausgangssignals und des Steuersignals darstellt, und ein einen Doppelbasisdioden-Sägezahngenerator (Q3, C2) enthaltender Zündkreis (18) auf das zusammengesetzte Signal anspricht und ein steuerbarer Siliciumgleichrichterkreis vom Zündkreis (18) gesteuert wird, um seinerseits die Verbindung des Widerstandsheiζelements (E) mit der Spannungsversorgungsquelle zu steuern.
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