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Vorrichtung zum Konstanthalten der Arbeits-
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temperatur eines Brünierbades" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Konstanthalten der Arbeitstemperatur eines BrUnierbades.
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Ein solches Bad zum Brünieren von Metallteilen soll einerseits die
richtige Zusammensetzung und Konzentration aufweisen und andererseits bei einer
möglichst konstanten Temperatur eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft,
wenn das Brtlnierbad beim richtigen Siedepunkt ständig leicht siedet.
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Die Einhaltung dieser Bedingungen bereitet in der Praxis deshalb Schwierigkeiten,
weil sich die Konzentration des Brünierbades, d.h. das Salz/Wasser-Verhältnis, durch
die Wasserverluste in Form von Wasserdampf, bedingt durch die Anwendungstemperatur
von
1400 C, ständig ändert, d.h. erhöht. Außerdem wird die Badtemperatur Jeweils beim
Einbringen der zu brünierenden, noch kalten Metallteile zunächst erniedrigt und
diese dem Bad entnommene Wärmemenge muß ihm wieder über die Heizung zugeführt werden.
Schlief3lich werden mit den brünierten Metallteilen beim Herausnehmen aus dem Bad
stets Teile der Badflüssigkeit mitgeschleppt, so daß das Badvolumen und damit der
Flüssigkeitsstand im Bad sich ändern.
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Außerdem wird Wasser aus dem Spülbad vor dem Briinieren mit den Teilen
in das Brünierbad eingeschleppt.
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Diese verschiedenen Einflüsse machen es erforderlich, sowohl auf den
Flüssigkeitsspiegel des Bades als auch auf dessen Konzentration als auch auf seine
Temperatur zu achten und diese Größen über längere Zeiträume möglichst konstant
zu halten.
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Diese mehrfache Regelaufgabe wird noch dadurch erschwert, daß es sich
bei Brdnierbädern um heiße, stark ätzende Bäder handelt, mit denen sehr vorsichtig
umgegangen werden muß, da insbesondere bei der Wasserzugabe von Hand zum Ausgleich
der Verdampfungsverluste ein Spritzen bzw. ein Schäumen auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Arbeitstemperatur des
Brünierbades unter den genannten schwierigen Bedingungen konstant zu halten sowie
gleichzeitig die Wasserkonzentration
konstant zu halten, die Verdampfungsverluste
auszugleichen, ohne daß bei der Regelung der Temperatur einer der genannten anderen
Parameter vernachlässigt wird. Vor allem soll dabei das Bad durch eine ausreichende
Beheizung am Sieden gehalten werden, da dabei die besten Brünierergebnisse erzielt
werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Ansteigen
der laufend gemessenen Siedetemperatur des Brünierbades über den vorbestimmten Sollwert
hinaus infolge der durch Verdampfen erhöhten Badkonzentration dem Bad so lange Wasser
zugegeben wird, bis die Siedetemperatur infolge Erniedrigung der Badkonzentration
unter den Sollwert abgesunken ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Siedepunktregelung wird nicht nur die
Arbeitstemperatur, nämlich die Siedetemperatur, des Bades konstant gehalten, sondern
auch gleichzeitig die Konzentration des Bades und folglich auch weitgehend das Badvolumen,
also der Flüssigkeitspegel Lediglich die Verluste an Badsubstanz durch Ausschleppen
von Badflüssigkeit mit den fertig brünierten, herausgenommenen Metallteilen sowie
das durch den Brüniervorgang verbrauchte BrUniersalz müssen noch in größeren Zeitabständen
durch Zugabe von Brüniersalz in trockener oder vorgelöster Form wieder ausgeglichen
werden.
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Diese Substanzverluste können aber noch dadurch weiter verringert
werden, daß man dem Bad zur erfindungsgemäßen Siedepunktregelung nicht Frischwasser
in der erforderlichen Menge zugibt, sondern Wasser aus dem nachfolgenden StandspUlbad,
in das die Metallteile getaucht werden und das folglich die mitgeschleppte Badsubstanz
in steigender Konzentration erhält. Die Flüssigkeitsverluste dieses Bades können
dann wiederum, wenn ein zweites Spülbad nachgeschaltet ist, dadurch laufend ausgeglichen
werden, daß der Wasserspiegel des ersten Spülbades durch geregelte Zufuhr von Wasser
aus dem zweiten Spülbad konstant gehalten wird. Die Wasserverluste, die das zweite
Spülbad auf diese Weise erleidet, werden schließlich durch Zufuhr von Frischwasser
ausgeglichen. Weitere nachgeschaltete Spülbäder sind möglich und zum Teil sinnvoll.
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Man erhält auf diese Weise eire extrem umweltfreundliche Gesamtanlage,
da praktisch überhaupt keine Badsubstanz mehr in den Abfluß gelangt, sondern ständig
wieder dem Brünierbad zugeführt wird. Letztlich werden also die Wasserverluste des
Brünierbades durch Austritt von Wasserdampf wieder durch Zufuhr von Frischwasser
zum zweiten Spülbad ausgeglichen. Gegebenenfalls kann der aus dem Brünierbad austretende
Dampf auch mit Hilfe des dem zweiten Spülbad zugeführten Frischwassers oder in sonstiger
Weise kondensiert werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß dem Brünierbad erst durch das SpUlen
des Brüniergutes erwärmtes XpUlwasser zugeführt wird, was
eine Rückgewinnung
von Energie zur Folge hat.
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Zweckmäßig wird bei der Anwendung des vorgenannten Verfahrens die
Beheizung entsprechend den speziellen Arbeitsbedingungen, also der Größe und Oberfläche
des Bades und dem Durchsatz an Metallteilen, gerade nur so groß gehalten, daß das
Brünierbad gerade eben noch am Sieden gehalten ird. Dadurch wird nicht nur Energie
eingespart, sondern es wird auch verhindert, daß das Brünierbad aufwallt und überkocht
und dadurch möglicherweise Schaden in der Umgebung anrichtet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen in das Brünierbad eintauchenden
Temperaturfühler, einen an diesen angeschlossenen Regler zur Einstellung des gewünschten
Sollwertes der Temperatur und zum Vergleich mit der vom Temperaturfühler gemessenen
Isttemperatur und eine vom Regler jeweils beim Überschreiten der Solltemperatur
durch die Isttemperatur eingeschaltete Pumpe zur Zuführung von Wasser zum Brünierbad.
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Diese Vorrichtung stellt in einfacher Weise sicher, daß der durch
Austritt von Wasserdampf aus dem heißen Brünierbad allmählich ansteigende Siedepunkt
wieder durch Zufuhr von Wasser und damit Verringerung der Badkonzentration auf den
Sollwert abgesenkt wird.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Pumpe dem
Brünierbad Wasser aus dem nachgeschalteten Spülbad zuführt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in den Regler
eine im festen Abstand unterhalb des Sollwertes liegende Grenztemperatur eingegeben
ist, oberhalb der die Heizleistung für das Bad automatisch auf einen vorgegebenen
kleineren Wert herabgesetzt ist, während sie unterhalb dieser Grenztemperatur ihren
vollen Wert hat. Dadurch wird einerseits ein schnelles Anheizen eines zunächst noch
kalten Bades, dann aber, in der Nähe der Solltemperatur, eine mäßige Heizung mit
entsprechend verringerten Wasserdampfverlusten garantiert. Da es für ein optimales
Brünieren völlig ausreicht, wenn das Brünierbad nur ganz leicht am Sieden gehalten
und damit bei dieser Temperatur in ständiger Bewegung versetzt ist, ist bei Erreichen
der Solltemperatur auch nur eine wesentlich geringere Heizleistung erforderlich.
Gleichzeitig steigt damit auch die Unfallsicherheit des Brünierbades, da ein Überkochen
und damit ein Austreten der ätzenden Flüssigkeit verhindert wird. Sobald dann kalte
Metallteile in das Brünierbad eingebracht werden und seine Temperatur unter die
vorgenannte Grenztemperatur absenken, wird die Heizleistung automatisch erhöht und
die Siedetemperatur damit in kürzester Zeit wieder hergestellt. Dadurch wird die
Expositionszeit im Bad verkürzt und die Durchsatzmenge von Teilen im Bad entsprechend
erhöht.
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Vorzugsweise wird dabei vorgeschlagen, daß beim Ansteigen der Badtemperatur
über die besagte Grenztemperatur die Reduzierung der Heizleistung für das Bad erst
verzögert, nämlich erst bei Überschreiten der Solltemperatur, herabgesetzt wird,
während beim Absinken der Badtemperatur unter die besagte Grenztemperatur die Heizleistung
ohne Verzögerung sofort auf den vollen Wert erhöht wird. Durch dieses unterschiedliche
Verhalten des Reglers bei steigender und bei sinkender Isttemperatur wird das Einregeln
der gewünschten Siedetemperatur noch mehr verbessert.
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Vorzugsweise ist weiterhin eine optische Signalvorrichtung, beispielsweise
eine Signallampe vorgesehen, die vom Regler bei Überschreiten der Solltemperatur
eingeschaltet, beim Unterschreiten derselben jedoch ausgeschaltet wird. Dadurch
erfolgt eine Warnung der im Raum befindlichen Personen, die deshalb erforderlich
ist, weil beim Einleiten von Wasser in das heiße Brtlnierbad ein mehr oder weniger
starkes Aufwallen und Verspritzen von Badteilchen stattfinden kann.
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Weiterhin ist vorzugsweise eine akustische Warnvorrichtung vorgesehen,
die vom Regler bei Überschreiten der Solltemperatur für eine vorgegebene Zeitdauer
eingschaltet wird, wobei die Pumpe zuerst verzögert, nämlich bei oder nach dem Abachalten
der akustischen Warnvorrichtung, eingeschaltet wird.
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Eine solche akustische Warnvorrichtung gibt also eine Vorwarnung noch
vor dem Einschalten der Pumpe und kann dann, wenn die Pumpe eingeschaltet wird,
wieder abgeschaltet werden, während die optische Signalvorrichtung noch bis zum
Abschalten der Pumpe ein,eschaltet bleibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber
der bisherigen Arbeitspraxis beim Brünieren.
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Zunächst erfolgt, worauf schon eingangs hingewiesen fmrde, keine Umweltbelastung,
da lediglich Wasnerdampf aus der Anlage in die Umgebung austritt und Frischwasser
zum Ersatz dieses Wasserverlustes wieder zugeführt werden muß.
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Die Vorrichtung ist außerdem sehr wirtschaftlich: Zunächst wird das
Bad einmal automatisch bis zu seinem Siedepunkt aufgeheizt und ist dann sofort arbeitsbereit.
Dadurch, daß das Bad von diesem Zeitpunkt an ständig am Sieden auf dem gewünschten
Siedepunkt gehalten wird, ist der Brüniereffekt optimal und man kommt mit kurzen
Tauchzeiten aus. Dadurch wird insgesamt eine erhebliche Energieeinsparung erzielt.
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Schließlich ist die Vorrichtung sehr betriebssicher. Unfäle durch
Verätzungen, wie sie bei der derzeit üblichen Arbeitsweise mit manueller Wasserzugabe
häufig vorkommen, werden vollständig vermieden. Dadurch werden alle Möglichkeiten
eines
Unfallschutzes im Sinne des Maschinenschutzgesetzes voll ausgenutzt.
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Nicht zuletzt wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gleichbleibend
hohe Qualität der Brünierung erzielt. Auch während oder nach kürzeren oder längeren
Pausenzeiten wird das Brünierbad in seinem optimalen Zustand gehalten und dadurch
jederzeit eine optimale Brünierung garantiert.
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Als weiterer Vorteil soll noch eine nicht unerhebliche Einsparung
an Chemikalien erwähnt werden. Während bei dem bisherigen Verfahren durch die aus
dem Brünierbad herausgenommenen Metallteile stets gewisse Mengen dieser Chemikalien
in die Spülbäder ausgetragen werden, die dann schließlich bei der notwendigen Erneuerung
verlorengehen, wird erfindungsgemäß zur Aufrechterhaltung der Badkonzentration im
Brünierbad kein Frischwasser, sondern Wasser aus dem ersten Spülbad verwendet, so
daß die zunächst ausgeschleppten Chemikalien wieder in das Brünierbad zurückgeführt
werden. Die Einsparung an Chemikalien beträgt etwa 10 %.
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Vorzugsweise ist schließlich vorgesehen, daß bei Einschaltung der
Pumpe über einen Zeitraum, der oberhalb eines vorher festgelegten Grenzwertes liegt,
die Heizung und die Pumpe selbsttätig abgeschaltet werden und ein akustisches Signal
eingeschaltet wird. Eine solche ungewollte und schädliche
längere
Einschaltung der Pumpe könnte beispielsweise dann eintreten, wenn das Standspülbecken,
aus dem die Pumpe intermittierend Wasser in das Brünierbad überführen soll, um dort
den Siedepunkt konstant zu halten, infolge irgendeiner Störung nicht mehr gefüllt
ist und die Pumpe dann leer läuft. In diesem Falle wUrde die Konzentration des Brünierbades
ständig steigen und sich infolgedessen auch sein Siedepunkt erhöhen. Im Falle einer
solchen Störung würde also durch die vorstehend beschriebene Automatik ein Schaden
von der Anlage abgewendet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend in Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Briinieranlage; Fig. 2 die Vorderansicht
eines Reglers zur automatischen Verfahrens führung und Fig. 3 einen angenommenen
zeitlichen Temperaturverlauf eines Brünierbades mit zugeordneten Zeitdiagrammen
für die gesteuerte Heizleistung, die Pumpentätigkeit und den Schaltzustand der akustischen
Warnvorrichtung und der optischen Signalvorrichtung.
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In das in Fig. 1 dargestellte Brünierbad 1 taucht ein Temperaturfühler
4 ein, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ein armiertes Thermoelement enthält
und über eine elektrische Meßleitung an den Regler 5 angeschlossen ist.
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Anstelle eines Thermoelementes kann selbstverständlich auch ein Widerstandsthermometer
oder ein sonstiger elektrisch oder anders arbeitender Fühler verwendet werden. Der
Regler 5, dessen innere Schaltung hier nicht beansprucht und deshalb auch nicht
im Detail wiedergegeben wird, wird über einen Stecker 18 an eine elektrische Steckdose
angeschlossen und besitzt zwei Ausgänge, an dieeinerseits eine elektromotrisch angetriebene
Pumpe 6 und andererseit eine akustische Warnvorrichtung 8 angeschlossen sind.
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Die;ig. 2 dargestellte Frontplatte des Reglers enthält den Hauptschalter
11, eine Signallampe 7 als optische Signalvorrichtung und zwei weitere Anzeigelampen,
von denen die eine (9) den Einschaltzustand des Reglers und die andere (10) den
Einschaltzustand der (nicht dargestellten) elektrischen Heizung des Brünierbades
anzeigt. Auch diese Heizung ist, was in Fig. 1 nicht besonders dargestellt ist,
an den Regler 5 angeschlossen und wird von diesem voll oder teilweise eingeschaltet
bzw. ausgeschaltet.
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Die Ansaugleitung der Pumpe 6 taucht in das erste SpUlbad 2, vorzugsweise
bis zu dessen Boden, ein, während das Auslaufrohr der Pumpe dicht oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
des
Brünierbades 1 endet. Die Lage des Temperaturfühlers 4 und
insbesondere sein Abstand zum Auslaufrohr der Pumpe wird in einem kurzen Vorversuch
so gewählt, daß die geringsten Regelschwankungen erzielt werden.
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Der Flüssigkeitsspiegel im ersten Spülbad 2 wird durch einen Schwimmer
13 oder eine Druckdose mit elektrischem Kontakt abgetastet Dieser Kontakt ist an
ein Schaltschütz 14 angeschlossen, das je nach Lage des Schwimmers eine Pumpe 12
schaltet, nämlich beim Absinken des Flüssigkeitsstandes unter einen vorgegebenen
Sollwert die Pumpe einschaltet, beim Ansteigen über diesen Sollwert dagegen ausschaltet.
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Das Ansaugrohr der Pumpe 12 führt bis auf den Boden eines zweiten
Spülbades 3, während das Auslaufrohr der Pumpe 12 dicht oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
im Spülbad 2 endet.
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Im Spülbad 3 befindet sich ebenfalls ein Schwimmer 16 mit Elektrokontakt,
der an ein Schaltschütz 17 angeschlossen ist.
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Dieses Schütz schaltet ein Magnetventil 15 beim Absinken des Flüssigkeitsspiegels
im Spülbad 3 unter den vorgegebenen Sollwert ein und läßt damit Frischwasser aus
einer Wasserleitung in das Spülbad 3 einlaufen. Beim Unterschreiten des vorgegebenen
Wasserspiegels schaltet das Schütz 17 das Magnetventil 15 wieder zu.
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Beim untersten Diagramm in Fig. 3 ist ein angenommener-zeitlicher
Temperaturverlauf im Brünierbad 1 dargestellt. Es handelt sich im dargestellten
Ausführungsbeispiel um eine etwa 35%-ige NaOH-Lauge, deren optimale Arbeitstemperatur
für das Brünieren bei 1420C liegt. Dementsprechend ist im Regler 5 eine Solltemperatur
T5 von 1420C eingestellt. Außerdem ist in dem Regler 5 noch eine untere Grenætemperatur
T0 von 1400C, also dicht unterhalb der Solltemperatur, eingegeben. (Am Rande sei
vermerkt, daß man anstelle des hier verwendeten Temperaturfühlers und der Realisierung
der beiden Temperaturwerte im Regler auch ein elektrisches Kontaktthermometer mit
zwei Festkontakten oder auch zwei derartige Kontaktthermometer verwenden kann).
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Zu Beginn des im Diagramm dargestellten zeitlichen Vorganges befindet
sich das Brünierbad in der Anheizphase und erreicht im Zeitpunkt t1 die untere Grenztemperatur
T . Die vom Temperaturfühler 4 gemessene Isttemperatur Ti steigt dann weiter und
erreicht im Zeitpunkt t2 die Solltemperatur T5.
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Da spätestens zu diesem Zeitpunkt, wie nachstehend noch erläutert
wird, die Heizleistung durch den Regler reduziert wird, steigt die Isttemperatur
Jetzt nur noch langsam bis zum Siedepunkt an. Sobald dann kalte Metallteile in das
Bad eingebracht werden, sinkt die Temperatur ab und das Bad unterschreitet den Siedepunkt.
Der Siedepunkt der Lösung bleibt aber dabei konstant. Die Isttemperatur sinkt dann
bis zum
Zeitpunkt t5 bis auf die untere Grenztemperatur T0, unterschreitet
diese geringfügig und steigt, da die Heizleistung inzwischen wieder erhöht wurde,
kurz darauf wieder an, um im Zeitpunkt t1' die untere Grenztemperatur zu überschreiten.
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Danach wiederholt sich der vorstehend geschilderte Zyklus von t1 bis
Die Schaltung der Heizleistung durch den Regler 5 und der sich für diese ergebende
zeitliche Verlauf ist in dem darüberliegenden Diagramm teils ausgezogen-und teils
gestrichelt als Kurve a dargestellt. Im dargestellten Beispiel beträgt die maximale
Heizleistung N1 für das Briinierbad 200 W, während die reduzierte Heizleistung No
nur 100 W beträgt.
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Wie man sieht, wird im Zeitpunkt t1, also bei Uberschreiten der unteren
Grenztemperatur Tos die Heizleistung reduziert und bleibt dann auf diesem niedrigeren
Wert bis zum Zeitpunkt t5. In diesem Zeitpunkt, in dem die Isttemperatur gerade
wieder die untere Grenztemperatur T0 unterschreitet, wird die Heizleistung wieder
auf den rnaximalen Wert erhöht und damit verhindert, daß die Badtemperatur allzu
tief absinkt. Die Heizleistung verbleibt jetzt auf ihrem maximalen Wert so lange,
bis im nächsten Zyklus die Isttemperatur wieder die untere Grenztemperatur überschreitet,
also bis zum Zeitpunkt teil.
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Im Diagramm ist außerdem, teils ausgezogen und teils strichpunktiert
eine
vorteilhafte Variante dargestellt, die in den strichpunktierten Teilen mit "b" bezeichnet
ist. Bei dieser Schaltungsart ist der Regler 5 so programmiert, daß die Heizleistung
bis zum Überschreiten der Solltemperatur T5, also bis zum Zeitpunkt t2, auf ihrem
Maximalwert verbleibt.
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Sadann wird die Heizleistung reduziert und bleibt bis zum Unterschreiten
der unteren Grenztemperatur To, also bis zum Zeitpunkt t5, auf dem reduzierten Wert,
um dann wieder voll aufgeschaltet zu werden.
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Welche der beiden Schaltungsarten vorteilhafter ist, ergibt sich aus
den übrigen praktischen Verhältnissen.
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Wie man aus dem darüberliegenden Diagramm erkennen kann, bleibt die
Pumpe 6 anfangs bis zum Zeitpunkt t3 ausgeschaltet (Schaltstellung "O"), um dann
bis zum Zeitpunkt t4 eingeschaltet zu werden (Schaltstellung "1"). Der Einschaltzeitpunkt
t3 für die Pumpe fällt also nicht mit dem Uberschreiten der Solltemperatur T5 im
Zeitpunkt t2 msammen, sondern liegt um ein bestimmtes Zeitintervall danach, das
in der Praxis beispielsweise bei 10 Sekunden liegen kann. Diese Verzögerungszeit
ist vorzugsweise am Regler einstellbar. Wenn man gleichzeitig die darüberliegenden
Diagramme für die akustische Warnvorrichtung und für die optische Signalvorrichtung
betrachtet, so erkennt man, daß diese gleichzeitig im Zeitpunkt t2, also bei Überschreiten
der Solltemperatur T5, eingeschaltet werden.
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Das Bedienungspersonal, das sich in der Umgebung des Brünierbades
befindet, wird also sowohl akustisch als auch optisch darauf aufmerksam gemacht,
daß jetzt nach einer kurzen Verzögerungszeit die Pumpe eingeschaltet wird und Wasser
ir das heiße Brünierbad pumpt. Die Verzögerungszeit wird so lang gewählt, daß sich
alle in der Umgebung des Brünierbades befindenden personen noch rechtzeitig in Sicherheit
bringen können und nicht durch umherspritzende heiße Lauge gefährdet werden.
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Sobald die Pumpe dann im Zeitpunkt t3 eingeschaltet wird, wird die
akustische Warnvorrichtung ausgeschaltet, während die optische Signalvorrichtung
weiterhin solange eingeschaltet bleibt, wie der Zulauf des von der Pumpe 6 zugeführten
Wassers in das Brünierbad andauert.
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Sämtliche vorstehend beschriebenen und in den Diagrammen dargestellten
Schaltvorgänge laufen selbsttätig ab und werden von der gemessenen Isttemperatur
Ti über den Regler 5 gesteuert, ohne daß ein manueller Eingriff erforderlich würde.
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Sobald der Wasserspiegel im ersten Spülbad 2 dann durch die Absaugtätigkeit
der Pumpeunter den vorgegebenen Sollwert gefallen ist, schaltet sich automatisch
die Pumpe 12 ein und ergänzt den Wasservorrat des ersten Spülbades 2 aus dem zweiten
Spülbad 3. Dieses Spülbad wird wiederum selbsttätig aus der Frischwasserleitung
ergänzt.