DE2717390C2 - Temperaturregler für die Verarbeitung von thermoplastischen Massen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Temperaturregler für die Verarbeitung von thermoplastischen Massen mit einer elektronischen Vergleichsschaltung mit manueller Solltemperatur-Vorwahl für mindestens ein Heizelement, mit einem zum Heizelement eng benachbart angeordneten, die Isttemperatur des Heizelementes kontrollierendes Thermoelement, wobei im räumlich mit dem Heizelement eng gekoppelten Thermoelement durch den Wechselstrom zur Beheizung des Heizelementes eine Wechselspannung induziert und der Thermogleichspannung des Thermoelementes überlagert wird, insbesondere für den Einsatz in Thermoplastverarbeitungsmaschinen und deren Werkzeuge.

Bei derartigen Einrichtungen ist eine Temperaturregelung einer zu verarbeitenden thermoplastischen Masse erforderlich, die einerseits im Bereich eines Heizelementes für die Plastifizierung der zu verarbeitenden Masse solltemperaturproportional hinreichend stetig die elektrische Heizenergiezufuhr steuert und die andererseits über eine sogenannte Anfahrschaltung einen Plastifizierungszylinder und/oder eine Spritzdüse und/oder ein Werkzeug schnell aufheizt, um zum einen eine kurzfristige Betriebsbereitschaft zu erzielen und zum anderen aus der Stillstandszeit etwa noch vorhandene Kondensate oder sonstige Verunreinigungen abzubauen. Es soll sichergestellt sein, daß beim Anfahren eines derartigen Temperaturreglers in zuverlässiger Reihenfolge zuerst die Anfahrschaltung in Funktion tritt

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse Temperaturregler mit einer proportionalen Regelcharakteristik zu verwenden, deren Ausgangssteuerspannung, die einen elektronischen Schalter für die Steuerung der Energiezufuhr für ein Heizelement beaufschlagt, aus digitalen Schaltimpulsen besteht, deren Zeitbasis äußerst unterschiedlich ist.

Derartige Regler sind mit dem Nachteil behaftet, daß durch diese digitalen Schaltimpulse, die aus einem proportional arbeitenden Steuerspannungsregelkreis in einem Operationsverstärker als Ausgangssignal soll-/ istwerttemperaturproportiona! gebildet werden, die Beheizung eines Plastifizierungszylinders und/oder einer Spritzdüse und/oder eines Werkzeuges eine relativ große Hysterese aufweisen kann, die sich in der Qualität des, aus einer thermoplastischen Masse hergestellten, Erzeugnisses erheblich auswirken können. Bei einem anderen bekanntgewordenen Temperaturregler mit einem Thermoelement und mit einem Verstärker für die vom Thermoelement abgegebene relativ kleine Thermo-Gleichspannung wird dort diese Thenno-GIeichspannung von einem sogenannten Transistorchopper zerhackt und von einem nachgeschalteten Wechselstromverstärker verstärkt (Siemens Halbleiter Schaltbeispiele, Ausgabe April 1963, S. 56,57 und Bild 5, 8 auf S. 58, 59). Der Transistorchopper wird dort durch einen von der Netzfrequenz synchronisierten Multivibrator angesteuert.

Derart aufgebaute Temperaturregler sind nicht nur technisch, insbesondere hinsichtlich des verwendeten, relativ niederfrequent arbeitenden Wechselstromverstärkers, aufwendig und bezüglich der erforderlichen linearen Regelcharakteristik insgesamt unbefriedigend, sondern auch die dort übliche Störanfälligkeit, insbesondere bei den vorhandenen aktiven Bauelementen, hervorgerufen durch die Induktionsströme, die beim Einschalten des Heizelementes auf das benachbarte Thermoelement und deren Leitungsführung einwirken, ist erfahrungsgemäß besonders hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Schwierigkeiten bei derartigen Temperaturreglern zu überwinden und eine Einrichtung zu schaffen, die einem Heizelement hinreichend stetig solltemperaturbezogen elektrische Heizenergie zuführt, die funktionstechnisch einfach und äußerst betriebssicher arbeitet sowie im Aufbau ökonomisch und wirtschaftlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Mittel gelöst.

Eine derartige Regelung, bei der die Oberlagerungsfrequenz, in bekannter Weise, der Netzfrequenz von 50 Hz entsprechen kann, regelt die elektrische Energiezufuhr hinreichend stetig, so daß eine hysteresearme Beheizung eines Plastifizierungszylinders, und/oder einer Spritzdüse, und/oder eines Werkzeuges im Einsatz auf Verarbeitungsmaschinen für thermoplastische Massen ausreichend gewährleistet werden kann. Insbesondere zur Temperaturregelung an sogenannten Heißkanajdüsen für angußloses Spritzen, wo während der Verarbeitung der thermoplastischen Masse die Plastifizierungstemperatur hinreichend konstant zu halten ist, gewährleistet die Einrichtung nach der Erfindung, erfahrungsgemäß, ein hochpräzises ausreichend hysteresearmes Regelverhalten mit einer angenähert analogen Regelspannungscharakteristik, die, in Weiterbil-

dung des Erfindungsgedankens optoelektronisch mit einem elektronischen Schalter, einem kontaktlosen Halbleiterschalter, einem sogenannten Triac gekoppelt ist und diesen steuert, der im Stromkreis des Heizelementes vorgesehen ist. Für derartige Zwecke geeignete optoelektronische Koppler waren dabei bekannt (Elektronik 22,1973, Heft 6, S. 226 bis 228).

Um einen derartigen Temperaturregler erforderlichenfalls mit einer sogenannten Anfahrschaltung zu versehen, die ein relativ schnelles Aufheizen eines Plastifizierungszylinders und/oder einer Spritzdüse und/oder ehzs Werkzeuges ermöglichen soll, ist es außerdem vorgesehen, einen insbesondere elektronischen Zeitschalter insbesondere parallel zum Soiltemperatur-Einstellregler zu schalten, der den Solltemperaturspannungswert gegenüber dem im Thermoelement erzeugten Istspannungswert herabsetzt. An sich bekannte elektronische Zeitmeßglieder sind zur Erzielung dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung geeignet (Elektronik 16,1967, Heft 7, S. 207 bis 212).

Vorteilhaft bei einem Temperaturregler nach der Erfindung ist nicht nur das ausreichend hysteresearme, hinreichend analoge und hochpräzise Regelverhalten und der dadurch erzielbaren, über einen beliebigen Zeitraum genau haltbaren Verarbeitungstemperatur für thermoplastische Massen, sondern auch die einfache und zuverlässige, mit Hilfe einer Zeitkonstante, selbsttätig arbeitende Anfahrschaltung, mit einem dort erzielbaren Reinigungs- und Trocknungseffekt, nicht nur der Heizelemente, sondern auch der übrigen beheizten und geregelten Hilfseinrichtungen für derartige Verarbeitungsmaschinen. Vorteilhaft ist ferner der einfache, übersichtliche und schaltungstechnisch wirtschaftliche Aufbau des Temperaturreglers.

Ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltungsanordnung für einen Temperaturregler nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Die dargestellte Schaltungsanordnung besteht in ihrem wesentlichen Aufbau aus einem Netzteil 1, einem Steuermodul 2, einem elektronischen Schalter 3. einem Thermokoppler 4 und einer Anfahrschaltung 5. Im einzelnen besteht der Thermokoppler 4 aus einem Heizelement 6 und einem dazu räumlich eng benachbart angeordneten Thermoelement 7. Das Heizelement 6 und das Thermoelement 7 bilden dort in an sich bekannter Weise räumlich und funktionstechnisch eine Einheit, die in einem Plastifizierungszylinder und/oder einer Spritzdüse und/oder einem Werkzeug zur Formung thermoplastischer Massen eingebaut sein kann. Dabei gibt das Thermoelement 7 eine der Isttemperatur der Heizung entsprechende Thermo-Gleichspannung ab. Dieser Thermo-Gleichspannung wird dort durch die relativ enge Kopplung mit dem Heizelement 6, das aus dem Wechselstromnetz mit elektrischer Energie versorgt wird, die Netzfrequenz mit 50 Hz überlagert. Diese dermaßen modulierte isttemperaturabhängige Signaispannung wird einer elektronischen Vergleichsschaltung, insbesondere einem Operationsverstärker 8, der im Steuermodul 2 vorgesehen ist, zugeführt und dort in den nichtinvertierenden Eingang 9 eingespeist. In den invertierenden Eingang 10 dieses Verstärkers 8 wird eine an einem Potentiometer 11 einstellbare Gleichspannung eingespeist, die der Solltemperatur entsprechen soll. Die modulierte isttemperaturabhängige Signalspannung

wird im Operationsverstärker 8 mit der der Solltemperatur entsprechenden Gleichspannung verglichen, dabei wird die Geschwindigkeit, mit der die Abfrage des Solltemperaturwertes im Operationsverstärker erfolgt, von der der Istwertspannung überlagerten Frequenz und deren Größe bestimmt Im vorliegenden Beispiel entspricht die Abfragefrequenz der Netzfrequenz, demnach kann die Hysterese der Regelung nicht größer sein als eine fünfzigstel Sekunde. Eine derartige relativ hochfrequente Abfrage liefert am Ausgang des Operationsverstärkers 8 ein hinreichend analoges Signa!, das über Verstärkerstufen und einen optoelektronischen Koppler 12 einen elektronischen Schalter 3 mit einem sogenannten Triac-Element 13 ansteuert, das die elektrische Energiezufuhr zu einem Heizelement 6 regelt Eine derartige stetige Regelung des Heizelementes & und damit der Beheizung eines Plastifizierungszylinders und/oder einer Spritzdüse und/oder eines Werkzeuges für den Einsatz auf Thermoplastverarbeitungsmaschinen, ist ausreichend hysteresearm, bezogen auf eine Solltemperaturvorwahl.

Beim Anfahren einer derartigen Heizung aus dem Stillstand wird zunächst in an sich bekannter Weise eine sogenannte Anfahrschaltung 5 eingeschaltet, die nicht nur eine Schnellaufheizung eines Plastifizierungszylinders und/oder einer Spritzdüse und/oder eines Verarbeitungswerkzeuges bewirken soll, sondern auch dort, etwa während der Stillstandszeit z. B. in die Heizelemente eingedrungene Feuchtigkeit beseitigen soll.

In Weiterbildung wird eine derartige Anfahrschaltung 5 insbesondere parallel zur Solltemperatureinstellung, dem Potentiometer 11, geschaltet. Die Anfahrschaltung 5 besteht insbesondere aus einem elektronischen Zeitschalter, der über eine bestimmte Zeitdauer dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 eine bestimmte Sollsignalspannung liefert, die z. B. einer Solltemperatur von 70⁰C entsprechen kann, die gebildet wird aus der Bemessung des Spannungsteilers mit den Widerständen 14 und 15. Wird dieser Anfahr-Sollspannungswert durch den modulierten Spannungswert aus dem Thermoelement 7 erreicht, dann wird die Anfahraufheizung beendet, bis die Zeitbasis des Zeitschalters die Anfahrsolltemperaturwerteinstellung am Potentiometer 11 elektrisch freigibt. Danach heizt das Heizelement 6, aufgrund eines etwaigen Spannungsgefälles zwischen der Sollwerteinstellung und dem Istwert aus dem Thermoelement 7, die entsprechenden Einrichtungen einer Thermoplastverarbeitungsmaschine auf die endgültige sogenannte Plastifizierungssolltemperatur auf.

Die Zeildauer der Anfahrschaltung 5 kann manuell eingestellt werden. Auch ist es vorgesehen, daß nach dem Erreichen der sogenannten Anfahrtemperatur die Zeitbasis des elektronischen Zeitschalters selbsttätig programmiert wird oder der Zeitablauf des Zeitschalters danach einsetzt.

Es kann an Stelle der beschriebenen sogenannten Spannungskomparatorschaltung im Steuermodul 2 auch eine andere Schaltungsanordnung mit einer proportionalen Regelcharakteristik, insbesondere eine Wheatstone-Brückenschaltung vorgesehen sein, die eine elektrische Vergleichsschaltung in der Ausführung eines Operationsverstärkers 8 ansteuert. In diesem Falle könnte das Thermoelement 7 durch einen temperaturabhängigen Halbleiterwiderstand ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Temperaturregler für die Verarbeitung von thermoplastischen Massen mit einer elektronischen Vergleichsschaltung mit manueller Solltemperatur-Vorwahl für mindestens ein Heizelement, mit einem zum Heizelement eng benachbart angeordneten, die Isttemperatur des Heizelementes kontrollierendes Thermoelement, wobei im räumlich mit dem Heizelement eng gekoppelten Thermoelement durch den Wechselstrom zur Beheizung des Heizelementes eine Wechselspannung induziert und der Thermogleichspannung des Thermoelementes überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese modulierte Thermogleichspannung in einer elektronischen Vergleichsschaltung (8) mit einer der Solltemperatur entsprechenden Gleichspannung verglichen wird und die Geschwindigkeit, mit der die Abfrage der Solltemperatur-Gleichspannung erfolgt, von der Höhe der dem Thermogleichspannungswert überlagerten Frequenz der Wechselspannung bestimmt ist, zur hysteresearmen Regelung der elektrischen Heizenergie für das Heizelement (6).

2. Temperaturregler nach Anspruch 1, dsdurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Steuermoduls (2) mit dem elektronischen Schalter (3) optoelektronisch erfolgt.

3. Temperaturregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Solltemperatur-Einstellregler (11) eine Zeitverzögerungseinrichtung geschaltet ist.

4. Temperaturregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf einer vorgesehenen Zeitverzögerung die Zeitverzögerungseinrich- J5 tung am Solltemperatur-Einstellregler (11) elektrisch abgeschaltet wird.