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Regeleinrichtung für elektrische Brennöfen
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Elektrische Brennöfen, die insbesondere im Hobbybereich zur Anwendung
kommen, sind bisher derart gesteuert worden, daß Ihnen ein Leistungstakter vorgeschaltet
wurde, mit dessen Hilfe den Geräten entsprechend der gewünschten Temperatur eine
erforderliche Leistung zuführbar war. Gerade bei Brennöfen, die sowohl für das Emaillieren,
das Aufbrennen von Dekorbildern auf Keramik als auch das Brennen von Keramik geeignet
sind, bereitet die Steuerung der einzelnen Vorgänge erhebliche Schwierigkeiten.
So ist es oftmals sehr schwierig, z. B. beim Emaillieren die erforderliche Temperatur
einzuhalten, was gerade beim Emaillieren von silberhaltigem Material wichtig ist.
Insofern sind hohe Anforderungen an die Steuerung derartiger Geräte gestellt. Dennoch
läßt es sich nicht vermeiden, daß bei aerartigen Leistungstaktern eine Verschiebung
der Temperatur vom Sollwert vorkommt. Dies äußert sich dann darin, daß die zu emaillierenden
Gegenstande verbrennen bzw. daß der Aufbrand der Emaille nicht sachgerecht ausgeführt
werden kann. Verschiebungen von der Soll-Temperatur können z. B. bei derartigen
Taktern dadurch entstehen, daß die Netzspannung schwankt, daß die unterschiedlichen
Geräte mit vom Sollwert abweichenden Leistungen arbeiten und daß größere Temperatureinflüsse
den Takter, der in der Regel mit einem Bimetall nebst Zusatzheizung arbeitet, verfälscht.
Es sind in diesem Zusammenhang bereits Regelgeräte bekannt, die auf elektronischer
Basis die Temperatur einregeln, diese sind jedoch im Preis derart hoch, daß sie
für den Hobbyisten kaum erstehbar sind, so daß sie vorzugsweise nur in der keramischen
Industrie zur Anwendung kommen.
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Ein Hobbyist, der einen Brennofen besitzt, möchten jedoch neben der
reinen Emailarbeit auch Keramik oder Ton bzw. Dekore auf Keramik brennen, so daß
nicht nur an eine derartige Regelung die Forderung nach exakter Temperatureinstellung,
sondern auch nach weiteren Maßnahmen gestellt sind, die auf die speziellen Erfordernisse
der einzelnen Brenntechniken abgestellt sind.
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So muß z. B. bei dem Keramikbrand auf Grund der strukturellen Veränderungen
des Grundmaterials in verschiedenen Temperaturbereichen eine langsame Temperaturerhohung
erfolgen, damit ein einwandfreier Brand gewährleistet ist.
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Bisher ist man dieser Forderung insoweit nachgekommen, als manuell
der Leistungstakter im Rahmen vorgeschriebener Zeitintervalle höher gestellt wurde,
so daß am Ende der Brennzeit die für das Brenngut erforderliche Maximaltemperatur
- ausgehend vom Brennbeginn - kontinuierlich erreicht wurde. Da ein derartiger Brennvorgang
in der Regel ca. 4 Stunden umfaßt, kann ermessen werden, wie umständlich ein Brennvorgang
vonstatten ging. Abgesehen davon konnte eine Gewähr für ein absolut optimales Brennen
nicht gegeben werden.
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Wie oben kurz angedeutet, gibt es neben der Email- und Keramik-Brenntechnik
noch den weiteren Vorgang des Aufbrennens von Dekoren auf bereits fertig gebrannte
Keramik. Dieser unterscheidet sich von dem Brennen von Keramik dadurch, daß er nur
etwa 1 Stunde in Anspruch nimmt. Das heißt, die Temperatur im Brennofen muß - ausgehend
vom kalten Zustand - in etwa 1 Stunde auf Brenntemperatur gebracht werden, woraufhin
dann die weitere Zuführung von elektrischer Energie unterbrochen werden muß.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die erwanten
Schwierigkeiten der manuellen Steuerung zu beseitigen und ein Gerät zu schaffen,
das nicht nur eine exakte Temperatureinstellung für den Emailvorgang gewahrleistet,
sondern darüber hinaus auch benutzbar ist für das automatische Brennen von Keramik
und Aufbrennen von Dekoren auf Keramik.
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Eine Regelvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung löst diese Aufgabe
dadurch, daß in ihr drei auf elektronischer Basis arbeitende Arbeitsprogramme enthalten
sind, von denen das eine als reines Temperaturregelprogramm, das andere als Temperaturregelprogramm
mit zeitlicher Ausschaltung desselben und das weitere als temperatur-zeitproportionales
Regelprogramm mit ebenfalls zeitlicher Abschaltung ausgebildet ist.
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Die drei Programme lassen sich an einem Programmwahlschalter einstellen.
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Das reine Temperaturregelprogramm, das zum Emaillieren zur Anwendung
kommt, läßt in dem Brennofen die Temperatur sofort auf Sollgröße kommen und regelt
diese dann in der gewünschten Höhe.
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Das Temperaturregelprogramm mit zeitlicher Abschaltung wird für das
Aufbrennen von Dekoren auf Keramik benötigt und sieht vor, daß, ausgehend vom kalten
Brennofen, in dem sich das Brenngut befindet, die Temperatur in demselben auf die
gewünschte Größe eingeregelt und dort so lange gehalten wird, bis eine Zeitautomatik
das Gerät vom Versorgungsnetz trennt.
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Hierzu sei noch erwähnt, daß die Temperaturverlaufskennlinie nicht
linear erfolgt, weil die Abstrahlungsverluste in höheren Temperaturbereichen großer
werden und daher die Kennlinie oben immer stärker abflacht. Eine mögliche Alternative
wäre eine kontinuierliche Anhebung der Temperatur, dies ist jedoch deshalb nicht
möglich, weil infolge der Wärmeverluste zu viel Zeit benötigt würde, bis der Brennofen
die gewünschte Temperatur erreicht hätte, was dann jedoch einmal den Dekorbrand
zeitlich unerwünscht verlängert, wodurch zusätzlich eine unerwünschte farbliche
Veränderung des Dekors kommen würde.
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Beim letzten Arbeitsprogramm, das für den Keramikbrand vorgesehen
ist, ist es jedoch - wie oben erwähnt - unbedingt erforderlich, daß dem Brenngut
nur eine allmählich ansteigende Temperatur zugeführt wird, was durch die erfindungsgemäße
Regelvorrichtung derart erreicht wird, daß eine stetig von einer Ausgangsgröße zeitlich
ansteigende, der Soll-Temperatur entsprechende Steuerspannung erzeugt wird, die
am Ende der vorgewählten Brennzeit ihre entsprechend der Endtemperatur vorgesehene
Größe erreicht. Auch bei diesem Arbeitsprogramm sorgt die Regeleinrichtung für das
automatische Ausschalten des Brennofens. Vorzugsweise steigt die der Temperatur
im Brennofen zugehörige Spannung linear an.
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Die stetig ansteigende Spannung kann durch ein zeitwerk-angetriebenes
Potentiometer erzeugt werden, bei dem der Schleifer von einem Höchstwert auf einen
Tiefstwert der Widerstands skala verschoben wird.
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Es ist aber auch denkbar, z. B. ein thermisches Zeitglied oder einen
aufladbaren Kondensator, Akkumulator oder ein Mikrocoulombmeter zu benutzen, deren
Spannungswerte sich mit zunehmender Aufladung ändern. Das zuletzt genannte Zeitglied
"Mikrocoulombmeter", auch Voltameter oder E-Cell genannt, ist ein Element, welches
unter Stromeinfluß Silber einer Silberelektrode auf eine Goldelektrode transportiert,
wobei nach Stromumkehr das auf die Goldelektrode transportierte Silber zurück auf
die Silberelektrode geführt wird. Es gibt allerdings auch heute schon Kondensatoren
mit sehr hohem Innenwiderstand, die in Verbindung mit Feldeffekttransistoren durchaus
auch schon brauchbare Zeitverzögerungseinrichtungen darstellen.
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Vorzugsweise dient jedoch ein Zeitglied, das aus einem elektronischen
Zählwerk besteht, das bei Erreichen einer bestimmten und vorgegebenen Impulszahl
vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, wobei die heutige Elektronikindustrie
bereits integrierte Schaltkreise anbietet, in der eine Vielzahl von Zählwerken gegenseitig
so verknüpft sind, daß sich über einen längeren Zeitraum durch entsprechende externe
Widerstand sbe schaltung eine Treppenstufenspannung ergibt. Zwar erfolgt nun das
Anheben der Temperatur in gewissen treppenstufenähnlichen Sprüngen, dies ist jedoch
unerheblich, wenn man beispielsweise dafür sorgt, daß die Spannungs- bzw. Temperaturänderungen
etwa in einem Zeitraum von 5 Minuten erfolgen.
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Als Schaltelement dient bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
ein Triac (dies sind zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren), der mit dem Differenzverstärker
und zusätzlichen Schaltmitteln derart verbunden ist, daß er nur zum Zeitpunkt des
Spannungsnulldurchganges der Netzwechselspannung durchgeschaltet ist, woraufhin
Netzstörungen bekannter mechanischer Schaltelemente weitestgehend vermieden sind.
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Anhand der einzigen Zeichnung, die ein erfindungsgemäßes Schaltbild
beispielsweise wiedergibt, soll der Erfindungsgedanke näher verdeutlicht werden.
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Mit 1 ist ein Thermoelement gezeigt, das sich in einem Brennofen 2
befindet und laufend die Temperatur in demselben mißt.
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Die Thermoelementenspannung wird einem Verstärker 3 zugeführt, der
diese verstärkte Spannung an den Eingang 4 eines Differenzverstärkers 5 weitergibt.
Am anderen Eingang 6 des Differenzverstärkers 5 liegt der Abgriff eines 3stufigen
Schalters 7, weiterhin liegt an dem Eingang 6 ein einstellbarer Widerstand 8, mit
dessen Hilfe die Soll-Temperatureinstellung vorgenommen werden kann. Am Abgriff
dieses einstellbaren Widerstandes 8 befindet sich ein Stellglied mit einer Anzeigeskala
9, mit deren Hilfe eine Einstellung der gewünschten Temperatur möglich ist.
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Der 3-Stufen-Schalter 7 verbindet den Differenzeingang 6 mit einem
Festwiderstand 10 oder einem Ausgang 11 oder einem Ausgang 12 eines auf elektronischer
Basis arbeitenden Zeitgliedes 13, welches mit einer Versorgungsspannung in Verbindung
steht. Ein handbetätigter Starter 14 ist dem Zeitglied 13 weiterhin zugeordnet,
mit dessen Hilfe das in dem Zeitwerk integrierte Zählwerk zu zählen beginnt, indem
dieser gedrückt wird. Dieses Zählwerk, das im übrigen aus einem integrierten X-Bit-Dualzãhler
besteht, zählt die Impulse eines Impulsgenerators, der ebenfalls aus einem mit integrierten
Schaltmitteln bestehenden Flip-Flop oder Multivibrator gebildet sein kann.
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Da - wie oben schon erwähnt - immer bei Erreichen einer bestimmen
Impulsanzahl die Ausgänge strom- bzw. spannungs führend werden, hängt die Gesamtlaufzeit
von der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ab. Dies bedeutet, daß anhand eines Zeitwählers
15 die Häufigkeit der Impulse pro Zeiteinheit verändert werden kann, so daß an dem
Zeitzähler 15 die insgesamt gewünschte Brennzeit eingestellt werden kann.
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An den Ausgang 11 des Zeitgliedes 13 steht im Rahmen der vorgewählten
Brennzeit immer eine etwa um den Wert des Widerstandes 10 verminderte Spannung gegenüber
der Versorgungsspannung an, die nach Ablauf der vorgewählten Zeit (für den Vorgang
des Dekorbrandes) auf Null zurückgeht.
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Am Ausgang 12 des Zeitgliedes 13 hingegen steht die ober näher erwähnte
Treppenstufenspannung an, die im Rahmen der eingestellten Zeit von dem Tiefstwert
auf den Höchstwert ansteigt, z. B. von 0,8 auf 7 V.
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Der Ausgang des Verstärkers 5 ist verbunden mit dem Zündpol des Triacs
17, wobei durch einen Nullspannungsschalter 16 dafür gesorgt ist, daß das Einschalten
des Triacs jeweils nur im Spannungsnulldurchgang der Netzwechselspannung erfolgt.
Hierdurch sind weitestgehend Störungen des Versorgungsnetzes vermieden. Der Triac
17 schaltet in der weiteren Folge den eigentlichen Heizkörper 18 an das Wechselspannungsnetz
an. Der Nullspannungsschalter 16 kann aber auch integriertes Bestandteil des Verstärkers
5 sein. Am Eingang 6 des Verstärkers 5 steht außerdem noch ein S&gezahnsignal
an, das von einem separaten Sägezahngenerator 19 erzeugt wird. Diese Sagezahnspannung,
die der eigentlichen Steuer-Sollspannung aufgedrückt ist, verleiht der Regeleinrichtung
ein proportionales Temperaturverhalten, so daß die einmal eingestellte Temperatur
mit hoher Konstanz gehalten wird.
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Auch dieser Sägezahngenerator kann integriertes Bestandteil des Verstärkers
5 sein. Ein solches integriertes Schaltelement ist beispielsweise unter der Bezeichnung
TCA 280 A der Firma Valvo bekannt geworden.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Für den Emailliervorgang wird der
Wahlschalter 7 in die Schaltposition a gelegt. In diesem Falle besteht der Spannungsteiler
aus dem Widerstand 10 und dem einstellbaren Widerstand 8, an dem die zum Emaillieren
benötigte, einer Temperatur zugehörige Spannung eingestellt wird. Dies bedeutet,
daß am Eingang 4 des
Verstärkers 5 zu Beginn des Emailliervorganges
eine kleinere Spannung ansteht als am Eingang 6, so daß der Triac 17 voll durchgeschaltet
ist. Erreicht der Eingang 4 die gleiche Spannung wie Eingang 6 und überschreitet
diese geringfügig, schaltet der Verstärker 5 den Triac 17 aus. Durch das aufgedrückte
Sägezahnspannungssignal in Verbindung mit dem leichten Abkühlen des Brennofens erfolgt
nun ein taktweises Weiterbeheizen des Brennofens, wobei dafür gesorgt ist, daß jetzt
lediglich noch die Abstrahlungsverluste durch zugeführte Leistung ausgeglichen werden,
woraufhin sich eine Temperaturkonstanz ergibt.
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Für den Vorgang des Aufbrennens von Dekorbildern auf Keramik wird
der 3-Stufen-Schalter 7 in Position b bewegt. Am Zeitwähler 15 wird die vorgegebene
Brennzeit und am Temperaturregler 9 in Verbindung mit dem einstellbaren Widerstand
8 die für das Brennen des Dekors erforderliche Temperatur eingestellt. Durch Betätigen
der Taste 14 beginnt das Zählwerk zu zählen, und gleichzeitig steht am Ausgang 11
etwa die Spannung an, die zuvor am Potentiometer 10 vorhanden war. Das bedeutet,
daß nunmehr ungeregelt die Temperatur bis zur eingestellten Soll-Temperatur hochwandert,
dort so lange im eingestellten Bereich regelnd verharrt, bis das Zeitglied den Ausgang
11 spannungslos macht, so daß nunmehr der Eingang 6 des Differenzverstärkers 5 praktisch
spannungslos ist und damit der Triac 17 ausgeschaltet wird. Der Ausschaltzustand
bleibt so lange erhalten, bis erneut die Taste 14 gedrückt wird.
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Es ist also für das Aufbrennen von Dekorbildern lediglich erforderlich,
die gewünschte Soll-Brennzeit (etwa 1 Stunde) und Soll-Temperatur (etwa 950 OC)
einzustellen und den Ablauf des Brennens durch Betätigen der Taste 14 einzuleiten.
Die Automatik sorgt nun dafür, daß nicht nur die Temperatur in dem entsprechenden
Bereich gehalten wird, sondern darüber hinaus das Gerät automatisch ausgeschaltet
wird, so daß weitere Aufsicht nicht erforderlich ist.
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Beim Brennen von Keramik ist vorgesehen, daß innerhalb einer Zeit
von etwa 4 Stunden die Temperatur im Brennofen linear so gesteigert wird, daß am
Ende der Brennzeit gerade die Endtemperatur erreicht ist.
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Hierzu ist es erforderlich, den 3-Stufen-Schalter 7 in Position c
zu stellen, am Zeitwähler 15 eine Zeit von 4 Stunden und am Temperaturwähler 9 via
einstellbaren Widerstand 8 eine Temperatur von etwa 900 OC einzustellen.
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Mit dem Drücken der Taste 14 wird der integrierte Zähler aktiviert,
so daß nunmehr am Ausgang 12 eine sich in Spannungssprüngen ändernde - und zwar
größer werdende - Spannung einstellt, die dem Eingang 6 des Differenzverstärkers
5 zugeführt wird.
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Es ist ersichtlich, daß die Temperatur im Brennofen nunmehr nur sprungweise
sich geringfügig steigern kann, weil das Ausgangssignal des Verstärkers 3 sehr schnell
die recht niedrige Spannung am Eingang 6 des Verstärkers 5 erreicht haben wird,
woraufhin der Triac 17 immer wieder nach kurzen Einschaltimpulsen ausgeschaltet
wird. Über die Zeit gesehen ergibt sich somit eine gleichmäßige Temperatursteigerung
im Brennofen, und auch bei diesem Programm braucht der Benutzer nicht zugegen zu
sein, weil am Ende der Brennzeit durch interne Verriegelung des Zeitgliedes ebenfalls
die Regelvorrichtung den Brennofen automatisch ausschaltet.
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L e e r s e i t e