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Temperaturregelung für einen Ofen
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Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelung für einen Ofen, insbesondere
einen Backofen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei derartigen bekannten Temperaturregelungen für einen Ofen enthält
der der Ofenatmosphäre ausgesetzte elektrische Fehler einen elektrischen Widerstand
mit temperaturabhängigem Widerstandwert. Derartige temperaturabhängige Widerstände
sind für höhere Temperaturen im Bereich von etwa 600 K, wie sie auch in Backöfen
vorkommen, teuer. Auch können diese Widerstände bei den großen Temperaturunterschieden,
denen sie ausgesetzt sind, im Laufe der Zeit altern oder beschädigt werden.
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Durch die vorliegende Erfindung soll eine Temperaturregelung für einen
Ofen, insbesondere einen Backofen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet
werden, daß sie trotz Verwendung preiswerterer Elemente weiterhin eine exakte Einregelung
auf eine gewünschte Solltemperatur gewährleistet.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperaturregelung
gemäß Anspruch 1.
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Bei der erfindungsgemäßen Temperaturregelung werden als Temperaturfühler
preiswert herzustellende Thermoelemente verwendet.
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Thermoelemente zeichnen sich neben geringem Preis auch durch gut lineare
Anderung ihres Ausgangssignales mit der Temperatur und durch sehr geringe Störanfälligkeit
aus. Bisher konnte man aber Thermoelemente nicht zur Temperaturmessung in einem
in Großserie gefertigten Ofen verwenden, da die zweiten Enden der ein Thermoelement
bildenden unterschiedlichen Metalidrähte auf eine vorgegebene Referenztemperatur
gebracht werden müssen.
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Da bei in Großserie gebauten Öfen wie Backöfen die elektronische Regelschaltung
innerhalb des Ofengehäuses untergebracht werden muß, die Innentemperatur des Ofengehäuses
aber von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Ofens abhängt (bei einem Backofen
z. B. von der eingestellten Backofentemperatur und davon, ob gleichzeitig eine oder
mehrere Kochplatten des Herdes verwendet werden), wäre das vom Fühler an die Regelschaltung
abgegebene Signal kein eindeutiges Maß für die Ofentemperatur. Erfindungsgemäß wird
deshalb zusätzlich ein Absolut-Temperaturmesser thermisch mit den Anschlußenden
der Thermoelemente gekoppelt, und dessen Ausgangssignal wird zur Korrektur des Ausgangssignales
der Thermoelemente im Hinblick auf diejenige Temperatur verwendet, auf welcher sich
die Anschlußenden der Thermoelemente befinden. Da die Temperatur in der Umgebung
der Regelschaltung erheblich geringer ist als die Temperatur im Ofen-Inneren, sind
die Kosten für einen in der Umgebung der dortigen Temperatur arbeitende Absolut-Temperaturfühler
gering.
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Da erfindungsgemäß für die Temperaturregelung preiswerte Thermoelemente
verwendet werden, kann man auch im Ofen an einer Mehrzahl von Meßstellen Fühler
anbringen und deren Ausgangssignal zu einem die mittlere Ofentemperatur charakterisierenden
Signal zusammenfassen. Eine derartige Mehrfach-Fühleranordnung ermöglicht es, die
verschiedenen Fühler an jeweils einer fest vorgegebenen Stelle des Ofens anzubringen,
unabhängig davon, ob die Aufheizung des Ofen-Inneren durch Strahlung oder durch
Umwälzen der Ofenatmosphäre über Heizelemente erfolgt. Verwendet man zur Temperaturmessung
im Ofen einen temperaturabhängigen Widerstand, so kann wegen seines hohen Preises
insgesamt nur ein Temperaturfühler vorgesehen werden, und dieser muß dann für strahlungsbeheizte
Öfen und Heißluft-Öfen an unterschiedlicher Stelle vorgesehen werden. Die erfindungsgemäße
Temperaturregelung ermöglicht somit die Verwendung exakt gleicher Begrenzungswände
des Ofenraumes und eine exakt gleiche mechanische Montage des Ofenraumes, was im
Hinblick auf eine Großserienfertigung sehr vorteilhaft ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine seitliche, teilweise geschnittene Ansicht eines Küchenherdes mit Backofen;
Fig.
z eine Blockschaltbild der Backofen-Temperaturregelung des Herdes nach Fig. 1; Fig.
3 ein detailliertes Schaltbild eines praktischen Ausführungsbeispieles der Temperaturregelung
nach Fig. 2; und Fig. 4 eine grafische Darstellung, in welcher der Temperatur-Einregelungsvorgang
einer Regelschaltung nach Fig. 3 gezeigt ist.
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In Fig. 1 ist ein Küchenherd wiedergegeben, welcher ein Gehäuse 10
hat. Die Oberseite des Gehäuses 10 trägt verschiedene Kochplatten 14. Im Inneren
des Gehäuses 10 ist ein Ofenraum 16 vorgesehen, welcher durch eine obere Ofenwand
18, seitliche Ofenwände 20, eine untere Ofenwand 22 sowie eine hintere Ofenwand
24 begrenzt ist und durch eine Klappe 26 beschickt wird. Über den Ofenwänden liegt
eine Isolierung 28.
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In der hinteren Ofenwand 24 ist eine Ansaugöffnung 30 vorgesehen,
hinter welcher ein von einem Elektromotor 32 angetriebenes Ventilatorrad 34 sitzt.
Letzteres drückt die aus dem Ofen-Inneren angesaugte Luft über eine Heizschlange
36 und ebenfalls in der hinteren Ofenwand 24 ausgebildete Heißluft-Abgabeschlitze
38 zurück in den Ofenraum 16.
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Zur Steuerung der Heizleistung, welche von der Heizschlange 36 an
die umgewälzte Heißluft abgegeben wird, dient eine insgesamt mit 40 bezeichnete
Regeleinheit, die über der oberen Ofenwand im Inneren des Gehäuses 10 angeordnet
ist. Uber
einen mit der Regeleinheit 40 verbundenen Drehknopf 42,
der von der Frontseite des Gehäuses 10 her bedient werden kann, kann die gewünschte
Solltemperatur im Ofenraum 16 eingestellt werden. Die Regeleinheit 40 ist ferner
mit zwei Thermoelementen 44, 46 verbunden, welche durch die obere Ofenwand 18 hindurch
in den Ofenraum 16 hineinragen. Die Thermoelemente 44 und 46 bestehen jeweils aus
zwei Drähten 48, 50 aus unterschiedlichem Metall, deren eine, im Inneren des Ofenraumes
16 befindliche Enden zusammengeschweißt sind. Die zweiten Enden der Metalldrähte
48, 50 sind auf einer Anschlußplatte 52 mit nicht näher gezeigten Kupferleitern
verbunden, die zu den elektronischen Bauelementen der Reg-eleinheit 40 führen, die
nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 noch genauer erläutert werden.
Die Anschlußplatte 52 ist in Fig.
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1 zur besseren Veranschaulichung als außerhalb des Gehäuses der Regeleinheit
40 liegend wiedergegeben; es versteht sich, daß diese Anschlußplatte bei einem praktischen
Ausführungsbeispiel auch innerhalb des Gehäuses der Regeleinheit liegen kann.
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Auf der Anschlußplatte 52 ist ferner ein Widerstand 54 mit temperaturabhängigem
Widerstandwert angeordnet, der in ebenfalls noch genauer zu beschreibender Weise
elektrisch mit den elektronischen Bauelementen der Regeleinheit 40 verbunden ist.
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Der Widerstand 54 befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft der
Anschlußenden der Thermoelemente 44, 46. Außerdem enthält die Anschlußplatte 52
neben der elektrisch isolierenden Schicht, welche die zur Regelschaltung führenden
Kupferleiter
trägt, noch eine gut wärmeleitende Schicht, welche
einen Temperaturgradienten innerhalb der Anschlußplatte 52 verhindert. Diese gut
wärmeleitende, temperaturausgleichende Schicht kann auch in Form einer gut wärmeleitenden
Platte vorgesehen werden, welche unter engem Abstand parallel vor der in Fig.
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1 vorne liegenden Oberfläche der Anschlußplatte 52 angeordnet ist.
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In Fig. 1 ist die Anschlußplatte 52 zur besseren Veranschaulichung
so dargestellt, daß sie senkrecht auf der oberen Ofenwand 20 steht. In der Praxis
wird die Anschlußplatte 52 vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie parallel über der
oberen Ofenwand 20 verläuft, also in einer Ebene konstanter Temperatur liegt.
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In Fig. 2 sind Teile der Backofen-Temperaturregelung, welche unter
Bezugnahme auf Fig. 1 schon beschrieben wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen
versehen. Kupferleiter, welche auf der Anschlußplatte 52 mit den Metalldrähten der
Thermoelemente 44, 46 verbunden sind, sind in Fig. 2 mit 56 gekennzeichnet. Sie
führen zu den Eingangsklemmen eines Mittelwert-Rechenkreises 58, welcher die Ausgangssignale
der beiden Thermoelemente 44, 46 in ein gemitteltes Temperatursignal umsetzt. Letzteres
wird über einen Leiter 60 auf einen Korrekturkreis 62 gegeben. Letzterer erhält
an seinem zweiten Eingang über einen Leiter 64 ein Signal, welches der Temperatur
der Anschlußplatte 52, also der Temperatur der Anschlußenden der Thermoelemente
44 und 46 entspricht. Hierzu sind die Klemmen des temperaturabhängigen Widerstandes
54 mit einem Signalgeberkreis 66 verbunden, an dessen Ausgang der Leiter
64
angeschlossen ist und der einen Kreis zur Messung des Widerstandwertes des Widerstandes
54 sowie gegebenenfalls einen Umsetzkreis zur Korrektur der Kennlinie des Widerstandes
54 aufweist.
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Der Korrekturkreis 62 setzt die Signale auf den Leitern 60 und 64
additiv zusammen und erzeugt somit an seinem Ausgang ein Temperatursignal, wie es
sich aus der verhältnismäßig niederen Absoluttemperatur der Ans-chlußplatte 52 und
der durch die Thermoelemente 44, 46 gemessenen Temperaturdifferenz zwischen der
Temperatur im Ofen-Inneren und der Temperatur der Anschlußplatte 52 ergibt. Dieses
Temperatursignal wird über einen Leiter 68 auf die eine Eingangsklemme eines Regelkomparators
70 gegeben, dessen zweite Eingangsklemme über einen Leiter 72 mit dem Ausgang eines
Solltemperatur-Geberkreises 72 verbunden ist. Letzterer erhält an seinem einen Eingang
ein End-Solltemperatursignal, welches von einem mit dem Drehknopf 42 mechanisch
gekoppelten einstellbaren Widerstand 74 bereitgestellt wird. Die zweite Eingangsklemme
des Solltemperatur-Geberkreises 72 ist über einen Leiter 76 mit dem Ausgang des
Korrekturkreises 62 verbunden und somit mit dem Ist-Temperatursignal beaufschlagt.
Wie nachstehend noch genauer beschrieben wird, arbeitet der Solltemperatur-Geberkreis
72 grob gesprochen so, daß er an seinem Ausgang dann ein größeres Sollwertsignal
bereitstellt als der gewünschten Solltemperatur im Ofen-Inneren entspricht, wenn
das Ist-Temperatursignal auf dem Leiter 76 kleiner ist als das vom Widerstand 74
bereitgestellte Soll-Temperatursignal.
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Der Regelkomparator 70 erzeugt immer dann ein ein Einschalten der
Ofenheizung herbeiführendes Steuersignal, wenn das Ausgangssignal des Solltemperatur-Geberkreises
72 größer ist als das Ausgangssignal des Signalgeberkreises 66. Dieses Steuersignal
wird über einen Leiter 78 auf die Steuerklemme eines steuerbaren Schalters 80 gegeben,
welcher in die Versorgungsleitung 82 der Heizschlange 66 geschaltet ist.
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Bei dem detaillierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die einen
Leiter (48) der Thermoelemente 44, 46 zusammengeschaltet und mit der positiven Eingangsklemme
eines Differenzverstärkers V1 verbunden. Der Leiter 50 des Thermoelementes 44 ist
über einen Widerstand R7 mit der negativen Eingangsklemme des Differenzverstärkers
V1 verbunden, während der Leiter 50 des Thermoelementes 46 über einen Widerstand
R8 mit dieser Eingangsklemme verbunden ist. Der gemeinsame verstärkerseitige Netzwerksknoten
hinter den Widerständen R7 und R8 erfüllt somit die Funktion eines Summierers. Über
die Größe der Widerstände R7 und R8 kann ein Ausgleich für unterschiedliche Länge
der Metalldrähte der Thermoelemente 44 und 46 erfolgen. Falls gewünscht, kann man
durch unterschiedliche Bemessung der Widerstände R7 und R8 auch eine unsymmetrische
Gewichtung der Ausgangssignale der Thermoelemente 44 und 46 vornehmen.
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Die beiden Eingangsklemmen des Differenzverstärkers V1 sind über einen
Widerstand R5 zusätzlich mit dem Nullzweig einer Widerstandsbrücke verbunden, welche
die wie aus der Zeichnung ersichtlich zusammengeschalteten Widerstände R1 - R4 sowie
R4'umfaßt. R4 ist ein Trimm-Widerstand, R3 ein Widerstand
mit positivem
Temperatur-Koeffizienten. Die Versorgungsspannung der eben angesprochenen Widerstandsbrücke
erfolgt über einen Trimm-Widerstand R6 sowie einen hierzu in Reihe geschalteten
Widerstand R6'. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers V1 wird über einen Widerstand
R9 auf die negative Eingangsklemme dieses Differenzverstärkers zurückgeführt.
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Das Ausgangssignal U a des Differenzverstärkers V1 ist im wesentlichen
gegeben durch U, R9 . (R7 + R8) / (R7 . R8 . UTh), wobei UTh die Ausgangsspannung
der Thermoelemente ist, und ist somit proportional zur Temperatur im Ofen-Inneren.
Wie schon oben dargelegt, ist die räumliche Anordnung des temperaturabhängigen Widerstandes
R3 so gewählt, daß eine enge thermische Kopplung zu den Anschlußenden der Thermoelemente
44 und 46 besteht.
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Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers V1 gelangt über einen
Koppelwiderstand R10 auf die positive Eingangsklemme eines Regelkomparators K1,
dessen Ausgang die als Widerstand R18 angedeutete Spule eines Relais ansteuert,
welches Teil des steuerbaren Schalters 80 nach Fig. 2 ist.
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Die negative Eingangsklemme wird vom Abgriff eines Potentiometers
R12 mit einem Soll-Temperatursignal beaufschlagt.
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Dessen Größe ist zunächst einmal (ohne Sollwertüberhöhung) gegeben
durch die Einstellung des Potentiometers R12 und die Größe der mit diesem zusammen
einen Spannungsteiler bildenden Widerstände R13 und R14. Eine Zener-Diode Z dient
zur Stabilisierung der Versorgungsspannung für die mit den Anschlußenden
der
Thermoelemente 44 und 46 verbundene Widerstandsbrücke und den Spannungsteiler, der
das Soll-Temperatursignal erzeugt. Ein Widerstand R11 dient zur Rückkopplung des
Ausgangssignales des Regelkomparators K1 auf dessen positive Eingangsklemme.
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Der zwischen dem Widerstand R13 und dem Potentiometer R12 liegende
Netzwerksknoten kann über eine Diode D1 dann mit höherem Potential beaufschlagt
werden, wenn das Ist-Temperatursignal kleiner ist als das Soll-Temperatursignal.
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Hierzu wird das am Ausgang des Widerstandes R10 bereitgestellte Ist-Temperatursignal
auf die negative Eingangsklemme eines zweiten Komparators K2 gegeben, dessen positiver
Eingang über einen Widerstand R15 mit dem an der negativen Eingangsklemme des Regelkomparators
K1 anstehenden Soll-Temperatursignal beaufschlagt ist. R16 ist wieder ein Rückkoppelwiderstand
zwischen dem Ausgang des Komparators K2 und dessen positiver Eingangsklemme. Das
Ausgangssignal des Komparators K2 gelangt über die Diode D1 an das Potentiometer
R12 und sorgt somit in der gewünschten Weise für eine Soll-Temperatursignalüberhöhung.
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Durch das Ausgangssignal des Komparators K2 wird zugleich über einen
Widerstand R19 die Basis eines Transistors T1 angesteuert, der so eine Leuchtdiode
synchron ansteuert.
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Die Basis des Transistors T1 ist ferner über einen Widerstand R20
mit der einen Klemme einer Gleichrichterbrücke verbunden, welche die von der Regelschaltung
benötigte Gleich-Versorgungsspannung aus der 220 V-Netzwechselspannung ableitet.
Zu dieser
Gleichrichterbrücke gehören vier Dioden D2 D D5, wetche
zusammen einen Vollweggleichrichter bilden. Die gleichgerichtete Spannung wird durch
einen Kondensator C1 geglättet. Zum Herabsetzen der hohen Netzspannung ist anstelle
eines Transformators ein preisgünstigerer Spannungsteiler vorgesehen, welcher die
Widerstände R21 und R22 sowie den parallel über den letzteren geschalteten Kondensator
C2 aufweist. Da derartige Spannungsversorgungen nur für konstante Last geeignet
sind, ist über den die Relaisspule darstellenden Widerstand R18 eine weitere Diode
D6 geschaltet.Ein Widerstand R17 dient der Begrenzung des Stromes durch die Relaisspule
R18, ein Widerstand R23 zur Einstellung der Versorgungsspannung für die verschiedenen
Spannungsteiler.
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Die in Fig. 3 gezeigte Temperaturregelung arbeitet folgendermaßen:
Am Potentiometer R12 wird der gewünschte Sollwert für die Ofentemperatur eingestellt.
Die Widerstände R15 und R16 sind so gewählt, daß die Hysterese des Komparators K2
einer Temperaturdifferenz von 300 entspricht.
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Es sei angenommen, daß im Backofen zunächst niedrige Temperaturen
herrschen und nun der Backofen aufgeheizt wird. Unter derartigen Bedingungen liegt
am Ausgang des Komparators K2 ein positives Signal, welches über die Diode D1 weitergegeben
wird und so das Soll-Temperatursignal anhebt.Kippt das Ausgangssignal des Regelkomparators
K1 dann, wenn die Ist-Temperatur die gewünschte Soll-Temperatur erreicht, so wird
über den positiven Rückkoppelwiderstand R1l der Istwert angehoben, so daß nun auch
der Komparator K2 kippt. Damit wird über die Diode D1 dem Spannungsteiler für das
Soll-Temperatursignal kein zusätzliches Signal mehr zugeführt, so daß nun
der
sich aus der Spannungsteilerkette R12, R13 und R14 ergebende Sollwert für die Backofentemperatur
zum Tragen kommt.
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Die Hysterese des Komparators K2 ist größer gewählt als die des Regelkomparators
K1, so daß der Komparator K2 stets gekippt bleibt, bis der Sollwert stark angehoben
wird. Als optische Anzeige der Aufheizphase dient das Leuchten der Leuchtdiode LD.
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In Fig. 4 zeigt eine ausgezogene Kurve 84 den Temperaturanstieg im
Ofen bei Einstellung einer Soll-Temperatur T1 unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten
Temperaturregelung mit Soll-Temperatur-Überhöhung. Man erkennt, daß die Heizschlange
so lange mit voller Leistung arbeitet, bis die Ist-Temperatur die eingestellte Soll-Temperatur
T1 überschreitet.
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Danach setzt der eigentliche Regelvorgang ein, wobei die Ist-Temperatur
sich von oben an die Soll-Temperatur annähert.
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Durch eine gestrichelte Kurve 86 ist der Temperaturanstieg bei Verwendung
einer normalen Temperaturregelung ohne Soll-Temperatur-Überhöhung wiedergegeben.
Bei einer solchen Temperaturregelung setzt der Regelvorgang schon dann ein, wenn
die Ist-Temperatur sich bis auf einen vorgegebenen Betrag an die Soll-Temperatur
angenähert hat.
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Das mit der erfindungsgemäßen Temperaturregelung erhaltene Überschießen
der Temperatur über die Soll-Temperatur zu Ende der Aufheizphase ist in der Praxis
nicht nachteilig, da die Temperatur im Ofen befindlicher Gegenstände der gemessenen
Ofentemperatur sowieso nacheilt und zu Beginn der Wärmebehandlung ein Uberschießen
der Temperatur über den Sollwert somit
ein rasches Heranführen
der Temperatur der im Ofen behandelten Güter an die Soll-Temperatur begünstigt.