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Mechanischer Temperaturregler mit elektrischer Kontaktvorrichtung
Temperaturregler nach dem Ausdehnungsprinzip sind in sehr vielen Ausführungsarten
bekannt. Es wird dabei immer die verschieden starke Wärmedehnung zweier Körper benutzt,
um eineTemperaturanzeige zu erhalten oder um einen Schaltvorgang zu bewirken. Die
weitaus gebräuchlichste Art von Temperaturreglern ist diejenige, bei welcher durch
einen bei Erwärmung sich dehnenden Körper ein elektrischer Schalter betätigt wird.
Hier kann man zwei Gruppen vonTemperaturreglern unterscheiden: ,Die zur ersten iGruppe
gehörenden Temperaturregler betätigen unmittelbar einen elektrischen Kontakt; diejenigen
der zweiten Gruppe betätigen einen Mechanismus, der ein momentanes Schalten erlaubt.
Die erste Gruppe von Temperaturreglern erlaubt prinzipiell ein sehr genaues Schalten,
da die benötigte Dehnung zum Schließen bzw. Unterbrechen der Kontakte außerordentlich
klein sein kann. Wird ein solcher Kontakt jedoch strommäßig belastet, so tritt beim
Öffnen bzw. Schließen des Kontaktes ein Verschweißen der Kontaktmaterialien ein,
und es wird ein Öffnen der Kontakte erst dann stattfinden, wenn die Wärmedehnung
einen so großen Wert erreicht hat, daß die dabei auftretenden elastischen Kräfte
genügen, um die Schweißstelle zu zerreißen. Von einer genauen Regulierung kann dabei
selbstverständlich keine Rede mehr sein. Es spielen viel mehr Faktoren wie die Elastizität
der
mechanischen Teile, die Strombelastung der Kontakte usw. eine ausschlaggebende Rolle.
Zudem geht dabei ein solcher Regler durch Abbrand der Kontakte innerhalb kürzester
Zeit zugrunde.
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I')ei der zweiteci Gruppe von Temperaturreglern mit Mikroschaltern
bietet das Abschalten großer Ströme keinerlei Schwierigkeiten. Jedoch benötigen
diese Schalter einen wenn auch relativ kleinen, so doch im Verhältnis zu den zur
Verfügung stehenden Wärmedehnungen großen Weg. Man ist dann genötigt, mit sehr großen
aktiven Längen der Wärmefühlorgane zu arbeiten, was jedoch in den meisten Fällen
nicht wünschenswert ist.
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Der vorliegende Erfindungsgegenstand ist ein Temperaturregler mit
elektrischer Kontaktvorrichtung, bei welchem die Wärmedehnung eines Wärmefühlers
über einen praktisch reibungsfreien Hebelmechanismus unmittelbar einen elektrischen
Kontakt betätigt. Der erfindungsgemäße Temperaturregler ist dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrische Kontakt mit einem Gitter von mindestens einer Elektronenröhre
verbunden ist.
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Durch die vorzugsweise Verwendung von hochhitzebeständigen Materialien
für die Fühlorgane des Reglers ist dieser geeignet, für höchste wie aber auch für
tiefste Temperaturen verwendet zu werden.
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Bei der Regulierung stark wärmeträger elektrischer Ofen zeigt sich
mit allen direkt wirkenden Reglern eine mehr oder weniger starke Temperaturpendlung,
je nachdem zwischen der Heizwicklung und dem Temperaturfühler des Reglers eine mehr
oder weniger große, wärmeträge Masse eingeschaltet ist. Durch die konstruktive Ausbildung
des Ofens ist eine bestimmte Wärmeträgheit stets bedingt, und zudem ist es auch
oft nicht möglich, den Temperaturfühler unmittelbar in der Nähe der Heizwicklungen
anzubringen. Die Temperaturpendlung kann wie folgt kurz erläutert werden: Ist die
Temperatur im Ofen bzw. am Temperaturfühler kleiner als der Sollwert, so schaltet
der Regler auf Aufheizen. Die Temperatur an der Wicklung steigt also rasch an, währenddessen
die Temperatur am Fühler weniger schnell erfolgt. Im Moment, , in dem die Fühlertemperatur
die Solltemperatur erreicht 'hat, schaltet der Regler, sofern seine Unempfindlichkeit
verhältnismäßig ;klein ist, den Ofenstrom oder einen Teil davon ab. Die wärmespeichernden
Teile, die zwischen der Heizwicklung und dem Temperaturfühler liegen, sind jedoch
bei einer höheren als der Solltemperatur entsprechenden Temperatur angelangt und
geben trotz ausgeschaltetem Heizstrom noch weiterhin Wärme an den Fühler ab, so
daß die Temperatur des letzteren noch weiter ansteigt. Anderseits kühlt sich nun
die wärmespeichernde Masse wieder rascher ab als der Temperaturfühler, so daß im
Moment, in dem letzterer die Solltemperatur erreicht hat und somit den Ofenstrom
wieder einschaltet, an der Heizwicklung bzw. an den wärmeträgen Teilen eine tiefere
Temperatur, als der Solltemperatur entspricht, vorhanden ist. Der Fühler kann nun
noch eine gewisse Zeit Wärme an seine Umgebung abgeben, seine Temperatur sinkt also.
Damit wiederholt sich das Spiel von neuem. Diese Periode .der Temperaturschwingung
ist um so länger, je größer die Wärmekapazität ist, die zwischen der Heizwicklung
und dein Temperaturfühler liegi, und je tiefer die Temperatur des Ofens gewählt
wird.
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Will man die durch diese Pendlungen entstehenden' Temperaturfehler
verkleinern, so muß man demnach die Zeitabschnitte zwischen dem Ein- und Ausschalten
des Ofens verkleinern, was man dadurch erreichen kann, daß matt den Ofenstrom zwangsläufig
periodisch ein- und ausschaltet, wobei durch die Temperatur lediglich das Verhältnis
zwischen Ein- und Ausschaltzeit verändert wird; die Summe der beiden letzteren bleibt
dabei konstant. Die Temperaturüberhöhungen, die dann noch entstehen können, sind
entsprechend den wesentlich kürzeren Schaltzeiten ebenfalls viel kleiner. Gemäß
vorliegender Erfindung weist die Kontaktvorrichtung eine auf die Temperatur ansprechende
Kontaktspitze auf, welche mit einer Kontaktfläche zusammenwirkt, die derart bewegt
wird, daß sie in einer Richtung periodisch gegen die Kontaktspitze zu und von ihr
weg bewegt und in einer zweiten Richtung gleichförmig bewegt wird, so daß die Kontaktfläche
die Kontaktspitze periodisch auf einem Kurvenstück berührt, dessen Länge von der
Temperatur abhängig ist.
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In den Figuren sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. i zeigt in einer Gesamtanordnung ein Ausführungsbeispiel des
Erfindungsgegenstandes; Fig. 2 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der elektrischen
Schaltanordnung dar; Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten von Ausführungsbeispielen
für die Kontaktanordnung; Fig. 5, 6 und 7 zeigen ebenfalls Ausführungsbeispiele
für Kontaktanordnungen.
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In Fig. i ist i ein durch eine Heizspirale elektrisch beheizter Ofen.
Der Temperaturregler ist mit seinem Fühler in den Ofen eingesteckt. Der Fühler besteht
aus einem Rohr aus hitzebeständigem Material 2 und einem Quarzstab 3, dessen Länge
die aktive Länge des Fühlers darstellt. Ein Stab 4 aus demselben Material wie das
Rohr 2 überträgt die Differenz der Dehnungen des Rohres 2 und des Stabes 3 nach
au&n. Auf einer Grundplatte 5 ist mittels eines Bandgelenks 6 ein Hebel 7 praktisch
reibungsfrei gelagert. Auf der linken Seite stützt sich der Hebel durch den Zug
der Feder 6° über eine kleine Kugel 8 auf den Stab 4 ab. Die rechte Seite des Hebels
trägt einen festen Kontakt g: Auf der Grundplatte 5 ist ein verstellbarer Gegenkontakt
io angeordnet. Dehnt sich nun zufolge zunehmender Erwärmung das Rohr 2, so entfernen
sich die beiden Kontakte und umgekehrt. Der Gegenkontakt io ist verstellbar angeordnet,
wodurch die Ofentemperatur reguliert werden kann.
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i i ist eine Verstärkerröhre, beispielsweise eine Penthode, die über
Transformator 12 mit Wechselstrom gespeist wird. In der positiven Halbwelle, in
bezug auf die Anode, ist das Gitter bei geöffneten Kontakten 9 und io über den hochohmigen
Widerstand
13 an ein negatives Potential gelegt, so daß die Röhre
stromlos bleibt. Bei geschlossenen Kontakten jedoch wird das Gitter mit der Kathode
verbunden, wodurch die Röhre leitend wird. In der negativen Halbwelle des Speisestromes
bleibt die Röhre stets in allen Fällen gesperrt. Im Anodenkreis der Röhre liegt
ein Relais 14; seine Spule wird also bei geschlossenen Kontakten von einem pulsierenden
Gleichstrom durchflossen. Letzterer kann durch einen Kondensator 15 noch geglättet
werden, was ein sicheres und ruhiges Ansprechen des Relais 14 bewirkt. Das Relais
selbst schaltet über einen Widerstand 16 eine Teillast des Ofens 1 zu oder ah, wodurch
die Regulierung der Temperatur erreicht wird.
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Fig. 2 zeigt ein .,\usführungsbeispiel, in welchem zwei gasgefüllte
Schaltröhren Anwendung finden. Der Temperaturregler bzw. seine Kontakte sind an
das Klenlmenpaar 17 angeschlosssen. Bei geöffneten Kontakten werden während der
positiven Halbwelle wiederum die hi>`hrel@ 18 und 1g über einen Widerstand 20 gesperrt.
Bei geschlossenen Kontakten zünden die beiden Gastrioden und überbrücken den Reglerwiderstand
21. Durch Anwendung größerer Röhren oder Parallelschaltung kleinerer Röhren können
so auch ohne mechanisches Zwischenrelais größte Ströme bewältigt werden. Die Speisung
der Elektronenröhren kann grundsätzlich mit Gleich-oder Wechselstrom vorgenommen
werden. Vorzugsweise wird jedoch der Wirtschaftlichkeit wegen Wechselstrom verwendet.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Kontakte. Der untere bewegliche
Kontakt 22 ist mit einer Edelnletallauflage 23, z. B. @Silber-Palladium,
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gerüstet. Der Gegenkontakt 24 besteht aus einem Stück Kohle. Durch diese
Anordnung wird jedes restliche Schweißen der Kontakte vollständig ausgeschaltet.
Diese Anordnung wird vorteilhaft überall dort verwendet, wo es auf allerhöchste
Genauigkeit der Temperaturregulierung ankommt.
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Fig.4 zeigt eine weitere Kontaktanordnung. Beide Kontakte 25 und 26
sind aus Edelmetallen hergestellt. Der obere Kontakt 25 ist ein einfacher planer
Kontakt, während der untere Gegenkontakt 26 als Spitze ausgebildet ist. Diese Form
bietet eine sichere Kontaktgabe hei allfälliger Verunreinigung des Kontaktes durch
kleine Fremdkörper oder Staub.
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In Fig. 5 ist der Hebel 7 mittels eines Bandgelenkes 6 und Feder 6°
auf der Spitze 8 gelagert und wird durch die Organe des Temperaturfühlers 2 in Abhängigkeit
von der Temperatur um seine horizontale Lage verdreht. Der Hebel 7 ist in seinem
vorderen, eine Kontaktspitze 27 tragenden Teil als dünne Blattfeder ausgebildet.
Auf einer Achse 28, welche durch einen kleinen Motor mit konstanter Geschwindigkeit
angetrieben wird, sitzt eine 'I'aumelscheibe 29. Diese Scheibe bildet den Gegenkontakt
zur Kontaktspitze 27. Die Kontaktscheihe 29 berührt nun infolge ihrer windschiefen
Lage zur Achse 28 die Kontaktspitze 27 während einer Umdrehung auf einem mehr oder
weniger langen Bogenstück 30, je nachdem, in welcher Höhenlage sich der Kontakthebel
7 befindet. In der gezeichneten Darstellung wäre also der Kontakt zwischen den Punkten
A und B geschlossen, währenddessen in der übrigen Zeit der Kontakt geöffnet ist.
Da der Hebel? federnd ausgebildet ist, ist er in der Lage, den kleinen vertikalen
Bewegungen, welche er ausführt, zu folgen, währenddessen die Kontaktspitze mit der
Taumelscheibe in Berührung steht. 'Man sieht also, daß jeder Lage des Hebels 7 bzw.
einer bestimmten Temperatur ein bestimmtes Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit
der Kontaktvorrichtung entspricht. Die Punkte 31 und 32 sind an die elektronische
Steuerung angeschlossen. Es ist ohne Schwierekeiten möglich, die Steigung der Taumelscheibe
derart klein zu halten, z. B. in der Größenordnung von 0,02 mm, daß der ganze Bereich
zwischen ständiger Berührung und vollständiger Öffnung auf eine Temperaturdifferenz
von 1 bis'2° C beschränkt werden kann. Dadurch aber wird eine Genauigkeit von wenigen
zehntel Grad bei normal vorkommenden Netzspannungsschwankungen erreicht.
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Durch den rotierenden Kontakt entsteht stets eine leichte Schleifwirkung,
so daß der vorhandene, wenn auch kleine Kontaktabbrand' weiter stark vermindert
ist. Dadurch wird die Lebensdauer der Kontaktvorrichtung günstig beeinflußt.
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' In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform dargestellt. 7 und 27
stellen wiederum den von der Temperatur beeinflußten Hebel bzw. Kontaktspitze dar.
Der bewegte Gegenkontakt ist hier als Mantel eines Exzenters 33 ausgebildet, der
sich um eine Achse 34 dreht. Das in der dargestellten Lage sich im Eingriff befindliche
Kurvenstück ist mit 35 bezeichnet.
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In Fig. 7 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt. Kontakt
27 und Hebel 7 besitzen wiederum dieselben Funktionen wie in den vorhergehenden
Beispielen. Dagegen sitzt eine Kontaktscheibe 36 genau winkelrecht auf ihrer Antriebsachse
37. Die periodische Hinundherbewegung der Scheibe 36 bzw. der Kontaktbahn in axialer
Richtung wird durch eine feststehende Kurve 38 mittels einer an Welle 37 befestigten
Rolle 39 erzeugt.
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Es ist auch möglich, die Kurve 38 mit einer konstanten Geschwindigkeit,
welche von derjenigen der Kontaktscheibe verschieden ist, rotieren zu lassen. Damit
bezweckt man, daß die kreisbogenförmige Berührungslinie auf der Kontaktscheibe ständig
wandert, was eine vollständig gleichförmige Abnutzung der Scheibe ergibt.
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Es sind auch Kombinationen der obenerwähnten Ausführungsformen anwendbar.
Ferner ist es möglich, die periodische Hinundherbewegung an Stelle der Kontaktfläche
mit dem nichtrotierenden Kontakt auszuführen.