DE3438920C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelung, insbesondere für einen Backofen, nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 41 57 663 ist eine derartige Temperaturrege­ lung mit einem Regelkomparator und einem Differenzverstärker in Verbindung mit einem elektrischen Fühler zur Temperatur­ regelung bekannt, allerdings nicht für einen Ofen oder Backofen. Diese bekannte "normale" Temperaturregelung weist den Nachteil auf, daß sich die Ist-Temperatur nur relativ langsam der Soll-Temperatur annähert, da bei derartigen Temperaturregelungen der Regelvorgang schon dann einsetzt, wenn sich die Ist-Temperatur bis auf einen vorgegebenen Betrag der Soll-Temperatur angenähert hat.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturregelung zu schaffen, durch die eine schnellere Anhebung der Ist-Tempera­ tur zur Soll-Temperatur ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Referenzsignal-Überhöhungskreis vorgesehen ist, der einen ebenfalls mit dem Ausgangssignal des Differenzver­ stärkers und ebenfalls mit dem gegebenenfalls modifizierten, einstellbaren Referenzsignal beaufschlagten Komparator aufweist, dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Referenz­ signal-Überhöhung dient.

Durch diese Referenzsignal-Überhöhung wird das Soll-Tempera­ tursignal während der Anheizphase überhöht, so daß ein schnellerer Temperaturanstieg erzielt wird, wie dies bei­ spielsweise durch die durchgezogene Linie in Fig. 4 darge­ stellt ist. Das Überschwingen der Temperaturkurve am Ende der Aufheizphase ist dabei in der Praxis nicht nachteilig, da die Temperatur der im Ofen befindlichen Gegenstände der gemessenen Ofentemperatur sowieso nacheilt, so daß das Überschwingen ein rasches Heranfahren der Temperatur der Güter sogar noch begünstigt. Für diese vorteilhafte Art der Regelung wird im wesentlichen lediglich ein zusätz­ licher Komparator benötigt, so daß die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung einfach und kostengünstig realisiert werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche, teilweise geschnittene Ansicht eines Küchenherdes mit Backofen;

Fig 2 ein Blockschaltbild der Backofen-Temperaturrege­ lung 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 Tempera­ tur-Einregelungsvorgang einer Regelschaltung nach Fig. 3 gezeigt ist.

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.

In der hinteren Ofenwand 24 ist eine Ansaugöffnung 30 vorge­ sehen, hinter welcher ein von einem Elektromotor 32 angetrie­ benes 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.

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. Über 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 unterschied­ lichem Metall, deren eine im Inneren des Ofenraumes 16 befind­ liche 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 Regeleinheit 40 führen, die nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 noch genauer erläutert werden. Die Anschlußplatte 52 ist in Fig. 1 zur besseren Veranschaulichung als außerhalb des Gehäuses der Regeleinheit 40 liegend wiedergegeben; es versteht sich, daß diese Anschlußplatte bei einem praktischen Ausführungs­ beispiel auch innerhalb des Gehäuses der Regeleinheit liegen kann.

Auf der Anschlußplatte 52 ist ferner ein Widerstand 54 mit temperaturabhängigem Widerstandwert angeordnet, der in eben­ falls noch genauer zu beschreibender Weise elektrisch mit den elektronischen Bauelementen der Regeleinheit 40 verbunden ist.

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 verhin­ dert. Diese gut wärmeleitende, temperaturausgleichende Schicht kann auch in Form einer gut wärmeleitenden Platte vorgesehen werden, welche unter engem Abstand parallel vor der in Fig. 1 vorne liegenden Oberfläche der Anschlußplatte 52 angeordnet ist.

In Fig. 1 ist die Anschlußplatte 52 zur besseren Veranschau­ lichung 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.

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 Thermo­ elemente 44, 46 verbunden sind, sind in Fig. 2 mit 56 gekenn­ zeichnet. 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 Korrek­ turkreis 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.

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 Anschlußplatte 52 und der durch die Thermoelemente 44, 46 gemessenen Temperaturdiffe­ renz zwischen der Temperatur im Ofen-Inneren und der Tempe­ ratur 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 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 nach­ stehend noch genauer beschrieben wird, arbeitet der Solltempe­ ratur-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-Temperatur­ signal.

Der Regelkomparator 70 erzeugt immer dann ein ein Einschalten der Ofenheizung herbeiführendes Steuersignal, wenn das Aus­ gangssignal 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 Ver­ sorgungsleitung 82 der Heizschlange 66 geschaltet ist.

Bei dem detaillierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die einen Leiter (48) der Thermoelemente 44, 46 zusammen­ geschaltet und mit der positiven Eingangsklemme eines Diffe­ renzverstärkers V₁ verbunden. Der Leiter 50 des Thermoelementes 44 ist über einen Widerstand R₇ mit der negativen Eingangs­ klemme des Differenzverstärkers V₁ verbunden, während der Leiter 50 des Thermoelementes 46 über einen Widerstand R₈ mit dieser Eingangsklemme verbunden ist. Der gemeinsame ver­ stärkerseitige 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 unter­ schiedliche Bemessung der Widerstände R₇ und R₈ auch eine unsymmetrische Gewichtung der Ausgangssignale der Thermo­ elemente 44 und 46 vornehmen.

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 Versorgungsspan­ nung der eben angesprochenen Widerstandsbrücke erfolgt über einen Trimm-Widerstand R₆ sowie einen hierzu in Reihe geschal­ teten Widerstand R₆′. Das Ausgangssignal des Differenzver­ stärkers V₁ wird über einen Widerstand R₉ auf die negative Eingangsklemme dieses Differenzverstärkers zurückgeführt. Das Ausgangssignal U_a des Differenzverstärkers V₁ ist im wesentlichen gegeben durch

U_a ∼ R₉ · (R₇ + R₈)/(R₇ · R₈ · U_Th),

wobei U_Th die Ausgangsspannung der Thermoelemente ist, und ist somit proportional zur Temperatur im Ofen-Inneren. Wie schon oben dargelegt, ist die räumliche Anordnung des tempera­ turabhängigen Widerstandes R₃ so gewählt, daß eine enge thermi­ sche Kopplung zu den Anschlußenden der Thermoelemente 44 und 46 besteht.

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.

Die negative Eingangsklemme wird vom Abgriff eines Potentio­ meters R₁₂ mit einem Soll-Temperatursignal beaufschlagt. Dessen Größe ist zunächst einmal (ohne Sollwertüberhöhung) gegeben durch die Einstellung des Potentiometers R₁₂ und die Größe der mit diesem zusammen einen Spannungsteiler bilden­ den Widerstände R₁₃ und R₁₄. Eine Zener-Diode Z dient zur Stabilisierung der Versorgungsspannung für die mit den Anschluß­ enden der Thermoelemente 44 und 46 verbundene Widerstands­ brücke und den Spannungsteiler, der das Soll-Temperatursignal erzeugt. Ein Widerstand R₁₁ dient zur Rückkopplung des Aus­ gangssignales des Regelkomparators K₁ auf dessen positive Eingangsklemme.

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-Tempera­ tursignal kleiner ist als das Soll-Temperatursignal.

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 Eingangs­ klemme des Regelkomparators K₁ anstehenden Soll-Temperatur­ signal beaufschlagt ist. R₁₆ ist wieder ein Rückkoppelwider­ stand 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-Tempera­ tursignalüberhöhung.

Durch das Ausgangssignal des Komparators K₂ wird zugleich über einen Widerstand R₁₉ die Basis eines Transistors T₁ angesteuert, der so eine Leuchtdiode synchron ansteuert. 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-Versorgungs­ spannung aus der 220 V-Netzwechselspannung ableitet. Zu dieser Gleichrichterbrücke gehören vier Dioden D₂-D₅, welche zusam­ men einen Vollweggleichrichter bilden. Die gleichgerichtete Spannung wird durch einen Kondensator C₁ geglättet. Zum Herab­ setzen der hohen Netzspannung ist anstelle eines Transforma­ tors ein preisgünstigerer Spannungsteiler vorgesehen, welcher die Widerstände R₂₁ und R₂₂ sowie den parallel über den letzte­ ren geschalteten Kondensator C₂ aufweist. Da derartige Span­ nungsversorgungen 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 Wider­ stand R₂₃ zur Einstellung der Versorgungsspannung für die verschiedenen Spannungsteiler.

Die in Fig. 3 gezeigte Temperaturregelung arbeitet folgender­ maßen: 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 Tempera­ turdifferenz von 30° entspricht.

Es sei angenommen, daß im Backofen zunächst niedrige Tempera­ turen 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 Aus­ gangssignal des Regelkomparators K₁ dann, wenn die Ist-Tempera­ tur die gewünschte Soll-Temperatur erreicht, so wird über den positiven Rückkoppelwiderstand R₁₁ der Istwert angehoben, so daß nun auch der Komparator K₂ kippt. Damit wird über die Diode D₁ dem Spannungsteiler für das Soll-Temperatur­ signal kein zusätzliches Signal mehr zugeführt, so daß nun der sich aus der Spannungsteilerkette R₁₂, R₁₃ und R₁₄ ergeben­ de Sollwert für die Backofentemperatur zum Tragen kommt. Die Hysterese des Komparators K₂ ist größer gewählt als die des Regelkomparators K₁, so daß der Komparator K₂ stets ge­ kippt bleibt, bis der Sollwert stark angehoben wird. Als optische Anzeige der Aufheizphase dient das Leuchten der Leuchtdiode LD.

In Fig. 4 zeigt eine ausgezogene Kurve 84 den Temperatur­ anstieg im Ofen bei Einstellung einer Soll-Temperatur T₁ unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Temperaturregelung mit Soll-Temperatur-Überhöhung. Man erkennt, daß die Heiz­ schlange so lange mit voller Leistung arbeitet, bis die Ist- Temperatur die eingestellte Soll-Temperatur T₁ überschreitet. Danach setzt der eigentliche Regelvorgang ein, wobei die Ist-Temperatur sich von oben an die Soll-Temperatur annähert.

Durch eine gestrichelte Kurve 86 ist der Temperaturanstieg bei Verwendung einer normalen Temperaturregelung ohne Soll- Temperatur-Überhöhung wiedergegeben. Bei einer solchen Tempe­ raturregelung setzt der Regelvorgang schon dann ein, wenn die Ist-Temperatur sich bis auf einen vorgegebenen Betrag an die Soll-Temperatur angenähert hat.

Das mit der 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 Wärmebehand­ lung ein Überschießen der Temperatur über den Sollwert somit ein rasches Heranführen der Temperatur der im Ofen behandel­ ten Güter an die Soll-Temperatur begünstigt.

Claims (10)

1. Temperaturregelung, insbesondere für einen Backofen, mit mindestens einem die zu regelnde Temperatur erfassenden elek­ trischen Fühler und einer mit dem Fühlerausgangssignal beauf­ schlagten Regelschaltung, die einen Regelkomparator (K₁) aufweist, dessen eine Eingangsklemme mit dem Ausgangssignal eines vom mindestens einen elektrischen Fühler eingangsseitig beaufschlagten Differenzverstärkers (V₁) und dessen andere Eingangsklemme mit einem Referenzsignal beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzsignal-Überhöhungskreis vorgesehen ist, der einen ebenfalls mit dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers (V₁) und ebenfalls mit dem gegebenenfalls modifizierten, einstell­ baren Referenzsignal beaufschlagten Komparator (K₂) aufweist, dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Referenzsignalüberhöhung dient.

2. Temperaturregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des zweiten Komparators (K₂) über eine Diode (D₁) auf einen Knoten eines das Referenzsignal erzeugenden Spannungsteilers (R₁₂, R₁₃, R₁₄) gegeben wird, welcher einen einstellbaren Widerstand (R₁₂) enthält.

3. Temperaturregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fühler jeweils durch ein Thermoelement (44, 46) gebildet sind, daß die Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) zu einem Ort (52) niederer Temperatur geführt und dort an einen Absolut-Temperaturfühler (54) thermisch angekoppelt sind, welcher ein der Temperatur der Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) zugeordnetes Korrektursignal bereitstellt, und daß die Ausgangssignale der Thermomelemente (44, 46) und des Abso­ lut-Temperaturfühlers (54) durch einen Korrekturkreis (62) zusam­ mengefaßt werden.

4. Temperaturregelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale einer Mehrzahl von Thermoelementen (44, 46) über einen Mittelwert-Rechenkreis (58) zusammengefaßt werden und die Anschlußenden aller Thermoelemente mit dem einzigen Absolut-Temperaturfühler (54) thermisch gekoppelt sind.

5. Temperaturregelung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Absolut-Temperaturfühler (54) ein Widerstand mit temperaturabhängigem Widerstandwert ist.

6. Temperaturregelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) mit den Eingangs­ klemmen des Differenzverstärkers (V₁) verbunden sind und der temperaturabhängige Widerstand (R₃) Teil einer Brückenschaltung (R₁, R₂, R₃, R₄, R₄′) ist, deren Nullzweig ebenfalls mit den Eingangsklemmen des Differenzverstärkers (V₁) verbunden ist.

7. Temperaturregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Thermoelemente (44, 46) jeweils über einen zugeordneten Anschlußwiderstand (R₇, R₈) mit dem Differenzver­ stärker (V₁) verbunden sind.

8. Temperaturregelung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) und der Absolut-Temperaturfühler (54; R₃) einander räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind.

9. Temperaturregelung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolut-Temperaturfühler (54) und die Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) auf einer Platte (52) angeordnet sind, welche parallel über einer oberen (20) oder parallel unterhalb einer unteren (22) Begrenzungswand des Backofens verläuft.

10. Temperaturregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolut-Temperaturfühler (54) und die Anschlußenden der Thermoelemente (44, 46) auf einer Platte (52) aus gut wärmeleitendem Material thermisch aneinander gekoppelt, jedoch elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind.