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Anordnung zur Regelung der Temperatur einer elektrischen Heizvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung der Temperatur einer elektrischen Heizvorrichtung
durch eine aus vier Widerständen gebildete Wheatstonesche Brücke. Sie wird besonders
bei Schmelzöfen oder ähnlichen Ofen angewandt, deren Temperatur auf einen vorher
festgesetzten gleichbleibenden Wert selbsttätig einzustellen ist.
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Sie besteht darin, daß nicht mehrere, sondern nur einer der Brückenzweige
der zu regelnden Temperatur ausgesetzt ist und zwei, nämlich die nicht von außen
gespeisten Brückendiagonalpunkte, in den Gitterkreis einer Dreielektrodenröhre geschaltet
sind, deren Anodenkreis die Heizung beeinflüßt. Bemerkt sei dabei, daß es schon
bekannt ist, Glimmlichtröhren mit drei Elektroden für die Temperaturregelung von
Ofen zu verwenden.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
veranschaulicht.
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In der- Abb. i ist io ein Ofen, welcher durch Widerstand i i, der
mit einer elektrischen Stromquelle r2 verbunden ist, erhitzt wird. Die Temperatur
dieses Ofens io wird mit Hilfe eines Schalters 13 geregelt, der einen Teil i ia
des Widerstandes kurzschließt, wodurch stärker geheizt wird. Der Schalter 13 ist
normalerweise offen und kann durch Relais 1q. geschlossen werden. Um den Relaisstromkreis
auf die gewünschte Temperatur der Heizvorrichtung io einregem zu können, ist eine
Schalteinrichtung geschaffen, die eine Wheatstonesche Brücke 15 und eine Entladungsröhre
16 enthält.
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Die Wheatstonesche Brücke besitzt wie gewöhnlich vier Widerstände
17, 18, 19, 20; der Wider stand 2o hat einen positiven Temperaturkoeffizienten und
liegt in der Heizvorrichtung io, ist somit der Temperatur, die geregelt werden soll,
unterworfen. Die Brücke wird gespeist durch eine Wechselstromhilfsquelle 2r, die
dieselbe sein kann wie die Stromquelle 1z. Mit dieser Stromquelle sind die Punkte
ä2 und 23 der Brücke verbunden. Die elektrische Entladungsröhre ist eine Dreielektrodenröhre.
Der Eingangs- oder Gitterkreis der Röhre ist so geschaltet, daß die Spannung zwischen
Gitter und Kathode der Spannung zwischen den Punkten 27 und 28 der Brücke entspricht.
Ein Transformator 29 dient zur Vergrößerung der auf -den -Gitterkreis zu übertragenden
Spannung. Um dem Gitter eine negative Vorspannung zu geben, ist das eine Ende der
Sekundärwicklung des Transformators 29 mit- dem Ende 22 der Brücke verbunden, während
das andere Ende durch einen Leiter 30 mit dem Gitter 25 verbunden ist. Der
Gitterkreis wird geschlossen durch einen Leiter 31, =der -die Kathode
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mit einem auf dem Widerstand 18 liegenden Punkt 32 verbindet. Dadurch wird, wenn
die Anode positiv ist, eine negative Vorspannung dem Gitter aufgedrückt durch den
Spannungsabfall -längs des Teiles des Widerstandes 18, der zwischen den Punkten
22 und 32 liegt. Die Anode 26 ist über Leiter 33, Relaisspule 14 mit einem Pol und
die Kathode über Leiter 31, Punkt 32" einen Teil des Widerstandes 18 bis zum Ende
22 mit dem zweiten Pol der Hilfsquelle 21 verbunden. Die Röhre 16 wird durch Wechselstrom,
der beispielsweise der Hilfsquelle 21 entnommen werden kann, über Transformator
24a geheizt. .
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Die relativen Werte der Widerstände 17, 18, i9, 2o sind so eingestellt,
daß entsprechend der Temperatur im Ofen io, die etwas über der vorher bestimmten
mittleren Temperatur liegt, das Potential des Punktes 27 gegenüber dem Punkte 28
negativ sein wird, wenn das Ende 23 und damit die Anode z6 positiv ist, so daß der
Transformator 29 dem Gitter ein negatives Potential aufdrückt, das genügt, den Anodenstrom
so weit zu vermindern, daß die Relaisspule 14 den Schalter 13-
losläßt und
der Schalter sich öffnet. Dadurch wird der Teil iia des Heizwiderstandes eingeschaltet
und die Heizleistung so weit vermindert, daß die Temperatur des Ofens io zu fallen
beginnt. Der Widerstand 2o ist den Temperaturschwankungen der Heizvorrichtung io
unterworfen. Bei Temperatursteigerung wird die Größe des Widerstandes 2o bis zu-
einem über der Größe des Widerstandes i9 liegenden Werte anwachsen, um die nötige
Potentialdifferenz zwischen den Punkten 27 und 28 zu erzeugen und somit die Entladungsröhre
16 wirken zu lassen.
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Sinkt- die Temperatur des Ofens io wieder, so wird der Widerstand
2o in der Größe abnehmen; die Potentialdifferenz zwischen den Punkten a7, 28 nimmt
ab; und das negative Gitterpotential verschwindet. Hat der Widerstand 2o denselben
Wert wie der Widerstand i9, so herrscht am Gitter normale Spannung, d. h. kein Potential
wird über Transformator 29 auf das Gitter einwirken, und heim weiteren Fallen der
Temperatur wird das Potential des Punktes 27 positiv gegenüber dem Punkte 28, wenn
der Punkt 23 positiv ist. Dieser Vorgang rührt von einem schrittweisen Wachsen des
Anodenstromes entsprechend der fallenden Temperatur des Ofens ro her, wodurch dann
der Strom der Spule 14 vergrößert wird, und endlich wird bei einem vorher festgelegten
Temperaturminimum, welches geringer ist als die Temperatur, auf aer die Heizvorrichtung
gehalten werden soll, lfe Erregung der Spule 14 stark genug sein, im den Schalter
13 zu schließen und den Heizwiderstand iia kurzzuschließen. Die Temperatur des Ofens
io steigt wieder, und beiEintritt eines vorher festgelegtenTemperaturmaximums wird
der ganze Arbeitszyklus, wie er bisher beschrieben ist, sich wiederholen. Auf diese
Weise kann die Heizvorrichtung auf einer vorher bestimmten mittleren Temperatur
gehalten werden.
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Durch passende Wahl der Widerstände der Brücke und des Übersetzungsverhältnisses
des Transformators 29 wird eine genügend genaue Regelung der Temperatur des Ofens
io gewährleistet. So kann die Temperatur beispielsweise, was praktisch oft erwünscht
ist, auf einem vorausbestimmten mittleren Wert bei einer Toleranz von -I- i ° C
gehalten werden. Ferner können, um die Empfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen,
ein oder mehrere Verstärker dazugeschaltet werden.
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Eine derartige Einrichtung ist in Abb. 2 dargestellt. Jede Verstärkerstufe
besteht aus zwei Entladungsröhren, welche in Gegentaktschaltung miteinander verbunden
sind. Eine Röhre kann jeweils nur für eine Verstärkerstufe verwendet werden. Die
Brückenpunkte 27 und 28 sind mit der Primärwicklung 35 eines Transformators verbunden,
die Sekundärwicklung 36 mit den* Gittern der Röhren 37 und 38. Die Sekundärwicklung
ist in der Mitte im Punkte 39 geteilt, wodurch die eine Hälfte in den Gitterkreis
der Röhre 37, die andere in den Gitterkreis- der Röhre 38 zu liegen kommt. Die Anoden
der Röhren 37 und 38 -sind mit den Enden der Primärwicklung 4o des Ausgangstransformators
verbunden, deren Sekundärwicklung mit ihren Enden an die Gitter der Verstärkerröhren
42 und 43 angeschlossen ist. Die Priinärwicklung 4o- dieses Ausgangstransforrnators
ist in zwei Hälften geteilt, wodurch die eine Hälfte -in- den Ausgangskreis der
Röhre 37 und die andere Hälfte in den Ausgangskreis der Röhre 38 geschaltet ist.
Zwischen dein Mittelpunkt der Spule 40 und den Kathoden der Röhren 37, 38 liegt
die gemeinsame Anodenbatterie 44. Die Verbindungen für die Röhren 42 und 43 sind
dieselben wie für die Röhren 37 und -38. Die Primärwicklung 45 des Ausgangstransformators
dieser Röhren besteht aus zwei Spulen, die in dem Ausgangskreis der Röhren 42 und
43 liegen. Die Sekundärwickluns 46- dieses Ausgangstransformators, ci°ren Enden
wiederum mit den Gittern der Röhren 47- und 48 verbunden sind, arbeiten in Gegentaktschaltung.
Die Anodenkreise der Röhren 47 und 48 werden aus der Wechselstromhilfsquelle 21
gespeist, und zwar über Transformator 49, So. Die Enden seiner Sekundärwicklung
So liegen an den Anoden der Röhren 47 und 48, während -die Mitte über
Relaisspule
1q. mit den Kathoden der Röhren 47' und 48 verbunden ist. Auf diese Weise werden
die Ausgangskreise der Röhren durch die Hälften der Sekundärwicklung 5o entsprechend
gespeist; die Relaisspule 1q. liegt in dem Ausgangskreis beider Röhren und erhält
so einen wesentlich gleichmäßigeren Gleichstrom.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung nach Abb. 2 ist im wesentlichen
dieselbe wie die der Einrichtung nach Abb. i, mit dem Unterschied. daß die Relaisspule
14 durch einen im wesentlichen konstanten Gleichstrom gespeist wird. Wie bei der
Einrichtung der Abb. i, so ist auch bei der der Abb. 2 die Anordnung so getroffen,
daß negative Potentiale den Gittern der Röhren 47 und 48 aufgedrückt werden, wenn
ihre Anoden positiv sind bei Eintritt eines vorher festgelegten Temperaturmaximums.
Ein positives Potential liegt an den Gittern der Röhren, wenn ihre Anoden positiv
sind bei einem vorher bestimmten Temperaturminimum. Es mag wünschenswert erscheinen,
zwei Verstärkerstufen zu verwenden, um die genaue Phasenbedingung zu erhalten. Dies
kommt daher, -daß durch die Transformatorkopplung die Ströme in demAusgangskreis
derEntladungsröhren beträchtlich phasenverschoben sind gegen die Ströme in den Eingangskreisen.
Werden zwei Verstärkerstufen verwendet, so tritt eine Phasendifferenz von iSo° ein.
Wenn Widerstand und kapazitive Kopplung zwischen den Röhren verwendet werden, so
ist die Anodenspannung jeder Röhre genau i8o° in der Phase gegen die Gitterspannung
verschoben, und es können ein oder mehrere Verstärkerstufen verwendet werden.
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In der Abb. 3 ist eine weitere Schalteinrichtung gemäß der Erfindung
dargestellt. Zur Regelung des Strombedarfes des Ofens 66 dient hier ein Quecksilberdampfgleichrichter.
Er hat genügend Kapazität, um den ganzen erforderlichen Strombetrag für den Ofen
zu führen. Er besitzt zwei Anoden 56 und 57, zwei Gitter 58 und 59 und eine ge-
I, ineinsame Ouecksilberkathode 6o. Die Erregerbatterie 61 wird durch Schalter 62
an die Kathode gelegt. Der Schalter 62 bleibt, solange der Ofen 66 in Betrieb ist,
geschlossen. Wird eine positive Spannung an eine j der Anoden 56 und 57 gelegt,
so entsteht ein j Lichtbogen; werden jedoch die Anoden negativ, so erlischt der
Lichtbogen. Die Gitter 58 und 59 dienen dazu, die Bildung des Licht-Bogens zu regeln.
Sinkt das Potential der Gitter unter einen vorher bestimmten Wert, so wird der Lichtbogen
nicht entstehen, liegen aber die Gitterpotentiale über diesem Wert, so wird der
Lichtbogen entstehen. Die Charakteristik des Gleichrichters 55 ist also so, daß
bestimmte negative Gitterpotentiale ihn stillsetzen, während bestimmte positive
Potentiale das Umgekehrte bewirken.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungen zwischen der
Wheatstoneschen Brücke 63 und der --Wcchselstrotnhilfsquelle 64 im wesentlichen
dieselben wie in Abb. r und 2. Der Zweig 65 der Brücke liegt im Ofen 66. Der ebenfalls
im Ofen liegendt-Heizwiderstand 67 ist einerseits über Leiter 68 mit dem Mittelpunkt
der Sekundärwicklung 69 des Transformators 7 o, der primärseitig am Wechselstromnetz
liegt, und anderseits über Leiter 71 an die Kathode 6o des Gleichrichters angeschlossen.
Die Enden der Sekundärspule 69 sind mit den Anoden 56 und 57 verbunden. Der
Heizwiderstand 6; liegt also in den Anodenkreisen des Gleichrichters und wird durch
einen pulsierenden Gleichstrom gespeist, wenn die Einrichtung in Betrieb ist.
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Die Gitter 58 und 59 werden gesteuert mit Hilfe der Brücke 63 über=
zwei Dreielektrodenröhren 72 und 73, die zur Verstärkung dazwischengeschaltet sind.
Die Eingangskreise der Röhren sind mit den Brückenpunkten-7q. und 75 verbunden,
die den Brül;-kenpunkten 27 und 28 der Ausführungen nach Abb. i und -2 entsprechen,
und zwar über einen Transformator 76, der zwei Sekundärwicklungen ;? und 78 besitzt,
die ihrerseits in den Eingangskreisen der Röhren 7z bzW. 73 liegen. Eine geeignete
Wechselstromhilfsquelle oder Gleichstromquelle dienen zur Heizung der Kathoden der
Röhren 72 und 73. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel geschieht dies über die Transforinatoren
70 und 8o. Die Energiezuführung für die Ausgangskreise der Röhren erfolgt
durch Transformator 7o. Die Anode der Röhre 72 ist mit dem einen Ende der Sekundärwicklung
69 durch Leiter Si und die Anode der Röhre 73 mit dem anderen Ende über Leiter 82
verbunden. Zwei Widerstände 83 und 8:f sind weiterhin vorgesehen, die einerseits
mit der Kathode 6o über Batterie 85, anderseits mit den Kathoden der Röhre,72 bzw.
73 und außerdem über Leiter 86 und 87 mit den Gittern 58 und 59 des Gleichrichters
verbunden sind.
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Der Ausgangskreis der Röhre 72 führt von ihrer Anode über Leiter
81 zur linken sekundären Wicklungshälfte 69 über Leiter 68, Heiz`vide rstand
67, Batterie 85 und Widerstand 8 3 zur Kathode der Röhre 72. In ähnlicher Weise
ist die Röhre 73 über die rechte Hälfte der Sekundärspule 69 und den Widerstand
84 mit der Kathode verbunden. Die Batterie 85 ist so geschaltet, daß sie den Gittern
58, 59 ein negatives Potential aufdrückt und so das Arbeiten des Gleichrichters
verhindert,
wenn die Röhren 72 und 73 nicht tätig sind. Arbeiten dagegen 'die Röhren, so bewirken
ihre Anodenströme einen Potentialabfall längs der Widerstände 83 und 8q., die der
Spannung der Batterie 85 entgegenwirken und größer als diese sind. Die Differenz
Wird auf die Gitter 58 und 59 übertragen, -wodurch diese positiv werden und der
Gleichrichter 55 in Tätigkeit tritt.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß bei einer Temperatur des Ofens,
die kleiner als eine vorher bestimmte, einzuhaltende mittlere Temperatur ist, der
Punkt 74 der Brücke positiv gegenüber dem Punkte 75 und somit das Gitter der Röhre
72 positiv sein wird, wenn die Anode dieser Röhre positiv ist. Unter diesen Bedingungen
wird Punkt 74 negativ sein gegenüber Punkt 75 und infolgedessen das Gitter der Röhre
73 positiv, wenn die Anode der Röhre 7g positiv ist. "Bei dieser niedrigen Temperatur
des Ofens werden somit die Röhren 72 und 73 arbeiten, und ferner werden positive
Spannungsdifferenzen längs der Widerstände 83 und 84 auftreten und auf die Gitter
58 und 59 übertragen werden, wenn die Anoden 56 und 57 entsprechend positiv sind.
Der Gleichrichter liefert so vollen Belastungsstrom für den Heizwiderstand 77, aber
nur so lange, bis die Temperatur über die mittlere Temperatur hinaus auf einen bestimmten
Maximalwert steigt, unter welcher Bedingung der Punkt 74 gegenüber dem- Punkte-75
positiv sein wird und infolgedessen die Röhren 72 und 73 außer Tätigkeit treten.
Unter diesen Bedingungen drückt die Batterie 85 den Gittern j 58 und 59 negative
Spannungen auf, wodurch der Gleichrichter 55 aufhört zu arbeiten. Da nun der Gleichrichter
55 dem Heizwiderstand 67 keinen Strom mehr liefert und somit die Temperatur des
Ofens bis auf ein bestimmtes, vorher angenommenes Temperaturminimum fällt, so wird
der Gleichrichter Wieder tätig werden, und das vorher beschriebene Arbeitsspiel
beginnt von neuem und wiederholt sich immer wieder. -Ist keine genaue Einstellung
der Temperatur des Ofens erforderlich, so können die Verstärker 7ä und 73 weggelassen
werden. Die einen Enden der Sekundärwicklung 77, 78 werden dann mit den Gittern
58 und 59 und die anderen unmittelbar mit der Kathode 6o des Gleichrichters 55 verbunden.