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Anordnung zur Regelung der
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Temperatur eines Flüssigkeitsbades Die Erfindung bezieht sich auf
eine Anordnung zur Regelung der Temperatur eines Flüssigkeitsbades, das sich in
einem wärmeleitenden Gefäß befindet, mit einem Temperaturmeßfühler, dessen Ausgangssignal
einem Zweipunktregler zugeführt ist, dessen Ausgang mit einem die Badtemperatur
verändernden Stellglied (Temperaturstellglied) verbunden ist.
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Derartige Regelungen sind in mannigfaltiger Ausführung und Anwendung
auf allen Gebieten der Technik bekannt geworden.
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Bei allen diesen bekannten. Regelungen wird der Temperaturmeßfühler,
ein Thermoelement, Meßwiderstand oder auch ein auf der Ausdehnung von Gasen beruhendes
System, im Inneren des Flüssigkeitsbades in innigem Kontakt mit der zu messenden
Flüssigkeit gebracht.
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Dieses Prinzip hat eine Reihe von Nachteilen.
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Der Temperaturmeßfühler - ist ständig der Flüssigkeit im Bad ausgesetzt;
ist diese auch nur etwas aggressiv, greift sie den Temperaturmeßfühler bis zur Funktionsuntauglichkeit
an. Ist der Fühler ummantelt, so verschlechtert sich der Wärmekontakt. Umgekehrt
kann das Material des Fühlers auch leichdie Eigenschaften der Flüssigkeit mit Nachteil
beeinträchtigen; - erfaßt durch seine geringe geometrische Ausdehnung die Badtemperatur
nur innerhalb eines kleinen Flüssigkeitsvomulmens. Herrscht in dem Flüssigkeitsbad
nur eine geringe Wärmekonvektion, wie es z.B. bei höher viskosen Flüssigkeiten,
z.B. Ö1, der Fall ist, wird nur die Temperatur an einer isolierten Stelle (punktuell)
gemessen
und nicht die integrale Badtemperatur. Dadurch kann es
zu örtlichen Abkühlungen kommen, wenn ein Gegenstand in das Bad eingetaucht wird,
die nur sehr verzögert erfaßt und ausgeregelt werden; - ist einer mechanischen Verletzungsgefahr
durch in das Flüssigkeitsbad eingebrachte feste Gegenstände ausgesetzt; - ist üblicherweise
mit dem Temperaturstellglied (z.B. einer Heizschlange) zusammen aus dem das Flüssigkeitsbad
aufnehmenden Gefäß herausgeführt und mißt in der Regel auch in der Umgebung dieses
Temperaturstellgliedes. Dadurch ist eine Reinigung des Temperaturstellgliedes erschwert
und seine mechanische Mobilität (Anbringung und Herausnehmbarkeit) stark beeinträchtigt.
Besonders nachteilig macht sich dies bei Temperaturmeßfühlern, die auf der Ausdehnung
von Gasen in einem metallischen Kapillarrohr beruhen, bemerkbar. Dieses Kapillarrohr
ist mechanisch hinsichtlich der Biegebeanspruchung empfindlich und muß zudem auf
eine große Länge herausgeführt werden (bis zur Bedienungstafel).
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Darüberhinaus liegen bei bestimmten Temperaturregelungen, insbesondere
bei Flüssigkeiten mit hoher Wärmekapazität (z.B. Öle, geschmolzene Fette usw.) die
Ein- und Ausschaltpunkte des Zweipunktreglers aus Gründen der Stabilität der Regelung
verhältnismäßig weit auseinander. Dies bedeutet, daß die Solltemperatur verhältnismäßig
weit unterschritten wird, ehe der Einschaltvorgang erfolgt. Wird in diesem unteren
Temperaturbereich z.B. ein kühleres Gut von außen eingebracht, so sinkt die Temperatur
lokal noch tiefer ab und das Gut kann mit Nachteil ungünstig von der zu kühlen Flüssigkeit
beeinflußt werden. Ferner dauert es doch eine beträchtliche Zeit, bis das Flüssiqkeitsbad
wieder die Solltempera--- -, . - - , chteilig. tur erreicht nat, was sicn lnsDesonaere/aut
aie aL £Uti£LV£ fügbarkeit des Flüssigkeitsbades auswirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufhabe zugrunde, die eingangs be-
zeichnete
Regelung so auszubilden, daß der Temperaturmeßfühler nicht mehr der Flüssigkeit
ausgesetzt ist und die Regeleigenschaften der Anordnung verbessert werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch daß
der Temperaturmeßfühler außen am Gefäß in innigem Kontakt mit diesem angebracht
ist und ein Zusatz-Temperaturstellelement vorgesehen ist,.das im abgestimmten Wärmekontakt
mit dem Temperaturmeßfühler steht und das gleichzeitig mit dem Temperaturstellglied
vom Zweipunktregler ein- und ausgeschaltet wird.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert; dabei wird auch auf die grundsätzliche Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Regelanordnung und die erzielbaren Vorteile eingegangen.
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Auf weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung wird hingewiesen.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Temperaturregelung, Figur 2 das Schaltbild der zugehörigen elektrischen Regelschaltung
und Figur 3 eine Prinzipdarstellung der Anordnung des Temperaturmeßfühlers und des
Zusatz-Temperaturstellelementes an der Gefäßwand.
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Die Figur 1 zeigt ein Gefäß 1, z.B. ein Edelstahlbehälter, in dem
sich ein Flüssigkeitsbad 2 befindet. Das Gefäß 1 soll eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit
haben, damit sich seine Außenwandung auf eine entsprechende Temperatur des Badinneren
einstellen kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine e]ektrisch betriebene
Heizschlange 3 als Temperal:urstellglied vorgeF;ehen, die die FlUssiykeit auf eine
Temperatur oberhalb der
Zimmertemperatur erhitzt.
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Im innigen Kontakt mit der Außenwand des Gefäßes 1 befindet sich ein
Temperaturmeßfühler 4, dessen Ausgangssignal über die Leitung 4' einem Zweipunktregler
5 zugeführt ist. Temperaturmeßfühler und Zweipunktregler befinden sich räumlich
in der Nähe einer üblichen Bedienungstafel 6, an der u.a.
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ein Sollwerteinsteller 7 und der Netzschalter 8 angebracht sind. Der
Ausgang des Zweipunktreglers, an den auch die Netzspannung über die Leitung 5"'
geführt ist, ist einmal über die Leitung 5' mit der Heizschlange und zum anderen
über die Leitung 5" mit einem Zusatz-Heizelement 9, dem Zusatz-Temperaturstellelement,
verbunden; die Heizschlange und das Zusatzheizelement sind hier elektrisch parallel
geschaltet und werden gleichzeitig vom Regler ein- bzw.
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ausgeschaltet.
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Die Figur 2 zeigt das zugehörige elektrische Schaltbild. Die Wendeln
der Heizschlange 3 sind sternförmig an das Netz geschlatet. In die Zuführung zum
Netz sind die.Ausgangs-Schaltkontakte des Zweipunktreglers 5 geschaltet. Die Wendeln
sind dabei über die Leitung 5' mit den Schlatkontakten verbunden. An einer der Heizwendeln
liegt über die Leitung 5" zum Mittelpunktsleiter MP hin das Zusatzheizelement 9,
hier in Form eines Widerstandes, parallel. Schaltet der Regler EIN, dann ist sowohl
der Stromkreis für die Heizschlange 3 als auch für das Zusatz-Heizelement 9 geschlossen.
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In der gezeichneten AUS-Stellung sind beide parallelen Stromkreise
unterbrochen.
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Im Wärmekontakt mit dem Zusatzheizelement 9 befindet sich der Temperaturmeßfühler
4, der über der Leitung 4' mit dem Istwerteingang des Reglers 5 verbunden ist.
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In dem Anschaltkreis eines Schaltschützes 10, welches der Zufuhr der
Versorgungsspannung dient, befindet sich der Netzschalter 8 und ein Sicherheits-Endschalter
(Bimetallöffner 11), der die Stromversorgung bei Ausfall der Regelung
bei
Uberschreiten einer Grenztemperatur öffnet.
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Im Gegensatz zu den bekannten Regelungen, bei denen der Temperaturmeßfühler
im Bad in der Umgebung der Heizschlange 3 angeordnet und zusammen mit der Zuleitung
5' an die Bedienungstafel herausgeführt ist, ist bei der Regelung gemäß der Erfindung
der Temperaturmeßfühler außerhalb des Bades angeordnet. Dadurch kann der .Temperaturmeßfühler
nicht mehr von der Flüssigkeit angegriffen werden und ist auch nicht der Gefahr
einer mechanischen Verletzung ausgesetzt.
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Die Leitung 4' zur Bedienungstafel ist sehr kurz, was sich insbesondere
dann mit Vorteil bemerkbar macht, wenn diese das Kapillarrohr eines Kapillar-Thermofühlers
ist (Umsetzung von Ausdehnungen eines Gases in Druckänderungen).
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Die Heizung liegt frei, kann daher leichter gereinigt werden und auch
die konstruktive Gestaltung der Halterung der Heizschlange wird durch den Temperaturmeßfühler
nicht mehr beeinträchtigt.
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Obwohl bei der erfindungsgemäßen Regelung die Temperatur nicht unmittelbar
im Flüssigkeitsbad sondern an der Außenwand des Gefäßes erfaßt wird, ist in Verbindung
mit dem Zusatz-Temperaturstellelement eine wirkungsvolle Temperaturregelung möglich,
die sogar die übliche Temperaturregelung mit direkter Temperaturerfassung übertrifft,
indem sie, wie noch zu erläutern sein wird, die Temperatur im Flüssigkeitsbad integraler
erfaßt und den Temperaturregelhub im Flüssigkeitsbad verringert.
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Zunächst sollen anhand der Figur 3 die physikalischen Problume der
indirekten Temperaturerfassung bei der erfindungsgemäßen Regelung dargestellt werden.
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Die Temperatur im Flüssigkeitsbad 2 sei mit T1, die Umgebungstemperatur
mit T2 bezeichnet. Die Temperatur des Temperaturmeßfühlers 4 betrage T3, die Temperatur
des Heizelements
9 sei T4. . Zur Vereinfachung wird davon ausgegangen,
daß die Badtemperatur T1 größer als die Zimmertemperatur, die Umgebungstemperatur
T2 ist, d.h. das Bad sich abkühlen wird, wenn es nicht geheizt wird. Trotz des innigen
Wärmekontaktes des Temperaturmeßfühlers bzw. seiner Halterung 12 mit der Gefäßwandung,
ist die am Temperaturmeßfühler gemessene Temperatur T3 kleiner als T1, da Wärme
über die Gefäßwand und die Halterung an die Umgebung abgegeben wird.
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Der Wärmetransport muß bei dem außen angebrachten Temperaturmeßfühler
durch die Gefäßwand hindurch erfolgen, d.h.
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Temperaturänderungen im Bad werden entsprechend verzögert nach außen
weitergegeben; Temperaturänderungen durch Aufheizen oder Abkühlen des Flüssigkeitsbades
werden somit nur zeitverzögert und gedämpft außen erfaßt.
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Der Wärmekontakt zum Bad ist daher durch den außen angebrachten Temperaturmeßfühler
schlechter geworden. Die vom Temperaturmeßfühler erfaßte Temperatur ist kleiner
als die tatsächliche Badtemperatur und der Temperaturverlauf im Bad ist zeitlich
gegenüber dem Temperaturverlauf am Temperaturmeßfühler verschoben. Die Auswirkungen
dieser Umstände auf die Regelung sind folgende. Angenommen der Zweipunktregler habe
seinen oberen Abschaltpunkt bei der Temperatur TH und sein unterer Abschaltpunkt
sei bei der Temperatur Tt. Wenn der Temperaturmeßfühler den Wert TH erfaßt und der
Regler somit die Heizung ausschaltet, ist die Flüssigkeitsbadtemperatur entsprechend
der apparativ vorgegebenen Temperaturdifferenz höher. Analog läuft der Vorgang am
unteren Abschaltpunkt ab.
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Dazu sei angenommen, daß die Wärmekapazität der Flüssigkeit relativ
groß und die Wärmeträgheit zur Außenwand relativ klein ist, d.h. daß Temperaturänderungen
im Badinneren relativ langsam verlaufen und sich der Außenwand des Gefäßes entsprechend
mitteilen, so daß die Temperatur T3 nicht nur im stationären Zustand sondern auch
bei den üblichen Transienten kleiner als die Badtemperatur T1 ist, d.h. die stationäre
Temperaturdifferenz annähernd auch beim Abkühlungs- (und Erhitzungsvorgang) erhalten
bleibt. Erfaßt der Temperaturmeß-
fühler die untere Abschiattemperatur
TL des Reglers, dann wird die Heizschlange eingeschaltet, obwohl die Badtemperatur
noch um die Differenz T1 - T3 oberhalb von TL liegt.
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Würde man daher das Signal des außen angebrachten Temperaturmeßfühlers
als Istwertsignal für die Badtemperatur verwenden, so würde die Badtemperatur verfälscht
angezeigt und die Regelung wäre außerdem zu träge; sie erfaßte zudem keine geringe
Temperaturschwankungen, da diese gedämpft den Temperaturmeßfühler erreichen.
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Die durch den schlechten Wärmekontakt hervorgerufenen Nachteile können
jedoch überraschenderweise durch das Zusatz-Heizelement 9 vermieden werden, das
gleichzeitig mit der Heizschlange im Flüssigkeitsbad vom Zweipunktregler ein-und
ausgeschaltet wird. Im EIN-Zustand wird somit nicht nur dem Flüssigkeitsbad sondern
auch dem extern angebrachten Temperaturmeßfühler eine vorgegebene Wärmemenge zugeführt.
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Durch eine geeignete elektrische und räumliche Dimensionierung des
Zusatz-Heizelements läßt sich erreichen, daß die dem Temperaturmeßfühler zugeführte
Wärmemenge die durch Gefäßwand und -halterung abgegebene Wärmemenge zumindest kompensiert.
Es wird somit von der Zusatzheizung zumindest gerade diejenige Wärmemenge zusätzlich
zugeführt, daß der Temperaturmeßfühler zusammen mit der Aufheizung durch die Gefäßwand
den oberen Temperaturabschaltpunkt TH des Reglers erreicht, bevor durch den Wärmeübergang
durch die Gefäßwand allein die Abschalttemperatur am Temperaturmeßfühler vorgelegen
hätte (und damit die Temperatur im Gefäßinneren noch höher gewesen wäre).
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Um den Regelhub im Bad zu verringern ist es zweckmäßig, den Temperaturmeßfühler
während der Aufheizphase des Bades über die aktuelle Badtemperatur hinaus - schneller
als der Temperaturanstieg im Bad - auf die Temperatur TH aufzuheizen, was wegen
der geringeren Wärmekapazität des Systems Fühler/Zusatzheizung leicht möglich ist.
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Nach dem Abschalten sowohl der Heizschlange als auch des Zusatz-Heizelementes
steigt zwar die Wandtemperatur des Gefäßes noch an (die höhere Innentemperatur TH
setzt sich verzögert nach außen durch), trotzdem die Heizung abgeschaltet wurde,
jedoch heizt sich der Temperaturfühler nicht weiter auf, da er durch die Zusatzheizung
bereits eine entsprechend höhere Temperatur als seine Umgebung hatte und bereits
durch die niedrige Umgebungstemperatur T2 abgekühlt wird.
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Da das System, bedingt durch seinen Kontakt mit der Außentemperatur
T2 und seine geringe Wärmekapazität schneller als das Bad abkühlt, wird der Schaltpunkt
Tt schneller als der entsprechende Temperaturabfall im Bad erreicht.
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Die Badtemperaturwerte, bei denen die Schaltung der Heizung erfolgt,
liegen also direkter beieinander als die der Differenz TH - TL.
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In Verbindung mit dem Zusatzheizelement kann daher der negative Einfluß
des schlechteren Wärmekontaktes auf die Regelung und die Temperaturerfassung ausgeglichen
werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Regelung besteht darin,
daß eine integrale Temperatur des Flüssigkeitsbades gemessen wird. Obwohl der Temperaturmeßfühler
nur eine bestimmte Stelle der Gefäßwandung erfaßt, so sind die Temperaturverhältnisse
an dieser Stelle doch bereits relativ vergleichsmäßig.
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Ist die Badtemperatur kleiner als die Umgebungstemperatur, so kann
das gleiche Prinzip, nur anstelle der Heizung mit einer zusätzlichen Kühlung an
dem Temperaturmeßfühler, angewendet werden.
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Die Erfindung findet besondere Anwendung bei Fettbackgeräten, insbesondere
Friteusen. Auch ist eine Anwendung in der Verfahrenstechnik denkbar.
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- L e e r s e i t e -