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Temperäturregler für hohe Temperaturen Die bisher bekannten Temperaturregler
benutzen in höheren Bereichen (zwischen etwa 700 bis 1400#') fast ausschließlich
Thermoelemente, durch deren thermoelektrische Spannung ein Millivoltmeter mit einer
selbsttätigen SchalteinTichtung beeinflußt wird, welche -dann die Wärmezufuhr steuert,
bei elektrischen Öfen durch Zu, und, Abschalten elektrischer Heizkörper, durch Ändern
der Brennstoffzufuhr bei Flammenöfen.
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Diese thermoelementgesteuerten Einrichtungen sind teuer und vielteilig;
es wird dadurch eine oft wünschenswerte Unterteilung der Heizkörper in mehrere von
je einem Temperaturregler unabhängig voneinander geregelte Zonen erschwert. Aber
auch bei kleinen und einfachen Öfen für Werkstatt und Laboratorium ist die Anschaffung
sehr erschwert, weil die selbstt#tIge Regelanlage teuer ist und meist mehr kostet
als der Ofen selbst. Besonders bei hohen Temperaturen über ioooc> mümen Thermoelernente
aus teuren Platininetallen im Schuttzrohr verwendet werden, was weiter verteuert.
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Der Nachteil hoher Anlagekosten und vielteiliger empfindlicher Ausführung
wird erfindungsgemäß durch eine einfache und wirksame Einrichtung vermieden, die
nachstehend beschrieben wird.
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Ein keramiecher geschlossener Hohlkörper a (Abb. i) geht über in einen
Kapillarstutzen b, der aus Festigkeitsgründen starkwandig ist. Die Länge
des Kapillarstutzens b richtet §ich auch nach der Stärke der Ofenwand und
muß so bernessen sein, daß der Hohlraum des Hohlkörpers a vollständig innerhalb
des heißen, zu regelnden Ofenraumes
liegt, Stück a,
b, nachfolgend als Geber bezeichnet, ist aus einem Sonderwerkstoff, der
bis zur Gebrauchstemperatur vollständig gasdicht bleibt, und ist mit Luft bzw. mit
einem geeigneten Gas gefüllt. Der Kapillarstutzen b wird durch einen aufgelöteten
Verschlußdeckelc aus Metall gasdicht mit einem Kapillarrohr d verbunden,
welches, in einen zweiten Verschlußdeckel e rhündet, der an ein #U-Rohr
f aus Glas oder sonstigem geeignetem Material durch geeignete Mittel gas-dicht
anschließt, Auf diese Weise entsteht eine Kapillarrohrverbindung zwischen dem Hohlraum
im Geber und dem U-Rohrf. U-Rohr f, das in seinelitU-förmigen Teil den gleichen
Querschnitt wie der Hohlraum in a haben kann, geht mit seinem zweiten Schenkel in
eine angeschmolzene Meßkapillare g über, der-en zweckmäß ige Höhe sich rechnerisch
bestimmen läßt und von den Meßtemperaturen und gewis-sen Maßwerten (Konstanten)
des Instrumentes abhängt. U-Rohr f mit Meßkapillare g, in der Folge als Empfänger
b-ezeichnet, ist mit Quecksilberi gefüllt, das im rechten Schenkel bis knapp unter
den Verschlußdeckele steht, während der linke Schenkel so bemessen ist, daß noch
ein Raum von der Höhe h. frei von Quecksilber bleibt, gemessen vom Quecksilberspiegel
bei Normaltemperatur bis zum Ansatz der Meßkapillare g. Es sei hier schon
bemerkt, daß die Höhe h" einen Einfluß auf die Länge h., der Meßkapillare und die
Größe der Skalenwerte daran im gewünschten Meßbereich hat. Bei kaltem Ofen stehen
die bei-den Quecksilbersäulen in beiden Schenkeln gleich hoch, wie in Abb. i dargestellt;
das Quecksilber befi-ndet sich inder Nullstellung. Der Empfänger f, g
mit Quecksilberfüllungi ist in einem wärmeisolierten Kasten eingeschlossen, der
zur Beobachtung der Meßkapillareg ein entsprechendes Fenster hat. Dieser wärmeisolierte
Kasten, weiterhin als Behälterk bezeichnet, wird mit bekannten Mitteln auf einer
konstanten Temperatur von z.B. 5o' gehalten, z.B. durch eine kleine, innerhalb angeordnete
elektrische Heizung mit Bimetallregler (nicht gezeichnet). Diese Maßnahme hat den
Zweck, das U-Rohr f mit seiner H"-Füllungi usw. auf einer konstanten Temperatur
zu halten, damit keine Wärmedehnungen im Empfänger die Meßangaben beeinflussen.
Diese 'konstante Temperatur liegt zweckmäßig über der allgemeinen Raumtemperatur,
damit die Regelung nur durch Einschalten von Heizelementen, also ohne Kühlelemente,
mögl-ich ist. Wenndas U-Rohr f noch eine besondere Wärmeisolierung erhält,
werden die an sich geringen Temperaturschwankungen im Spiel des Bimetallreglers
zusätzlich gedämpft. Eine ähnliche dämpfende Wirkung kann auch durch eine starke
Wandung der Meßkapillare g erzielt werden, da die Wärmeträgheit des Glases
dann etwaige kleine Temperaturschwankungen im Behälter k ganz unwirksam macht.
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In das U-Rohrf sind drei Kontaktem, »n und, p eingeführt. Kontaktm
kann an der Innenseite des Verschlußdeckels e befestigt werden und taucht etwa io
mm tief in die Quecksilberfüllung ein, n ist unten im Bügen von f eingeschmolzen,
während p ein beweglicher Metallstift ist, der indie Meßkapillareg hineinreicht
und durch seine Verstellbarkeit die gewünschte Regeltemperatur einstellen läßt.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Teile ist folgende: Der
hochtemperaturfeste keramische Gelber a, b wird in den Ofenraum r
so eingeführt, daß der Hohlraum von a in seiner ganzen Länge unter der Einwirkung
der Ofentemperatur steht. Der Heizstrom. für den Ofen wird über die Kontakte eines
Relais s zu-geführt, welche den Heizstromkreis schließen, wenn der Relaisanker abgefallen
bzw. die, Relaisspule stromlos ist. Diese Relaisspule erhält ihren Strom zunächst
über den Kontakt n, von wo der Strom je nach der Stellung der Quecksilbersäule
entweder über den Kontaktnt fließt, wenn der Druckknopfschalter t geschlossen ist,
oder über den verstellbaren Kontaktp in der Meßkapillareg, sobald die Quecksilbersäule
darin genügend hoch steht. Erhält die Spule des Relaiss Strom, so wird der dem Heizkörperw
im Ofenraumr zugeführte Heizstrom unterbrochen.
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Wenn die Temperatur im Ofenraurn r steigt, dehnt sich das Gas bzw.
dieLuft im Geber aus und drückt das Quecksilber im U-Rohr auf der Seite der Meßkapillare
g in die Höhe, während es auf der Seite des Kontaktes m fällt. Mit steigender
Temperatur wird das Quecksilber in der Meßkapillare immer höher gedrückt, bis auf
eine* Höhe h.,. Man kann jetzt über eine entsprechende Skala aus den h#,-Werten
die Ofentemperatur ablesen.
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Ist das Quecksilber dann bis zu dem vorher auf eine bestimmte Temperatur
eingestellten Kontakt p
gestiegen, so wird der Heizstrom zum Heizkörper w
abgeschaltet, denn es kommt die Spule des Relais s
unter Strom, der Anker
des Relais wird angezogen und der Heizstrom unterbrochen. Wenn die Temperatu,r im
Ofen sinkt, sinkt der Gasdruck auf die Quecksilbersäule, die Quecksilbersäule in
der Meßkapillare g fällt, der Strom über die Spule des Relais wird unterbrochen,
der Anker des Relais fällt ab, der Heizstrom beginnt wieder zu fließen. Die zweite
Stromführung zur Spule des Relais s
führt über den Kontakt m und den Druckknopfausschalter
t, der den Stromkreis nur unterbricht, wenn er gedrückt wird. Diese Leitung dient
zum Schutz des Ofens. Wird z. B. aus irgendeinem Grund -der Geber oder die Zuleitung
zum Empfänger undicht, so geht das Quecksilber in seine Nullstellung zurück, und
der Kontakt p würde selbst bei überhohen Temperaturen im Ofen nicht an-sprechen.
So aber wird vom Quecksilberin der Nu#llstellung über Kontakt M der Stromkreis zur
Spule des Relais geschlossen, der Anker angezogen, damit der Heizstrom unterbrochen.
Wennder Apparat seine regelnde Wirkung einbüßt, schaltet er also selbst den Ofen
ab.
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Beim Einschalten (Anheizen) des Ofens muß der Druckknopf von t so
lange betätigt wer-den, bis das Quecksilber im rechten Schenkel so weit gefallen
ist, daß m keinen Kontakt mehr gibt. Dies erfolgt im Gegensatz zu ianderen Temperaturreglern
sehr schnell, meist im Verlauf weniger Minuten, weil dazu wenig Überdruck auf den
rechten Quecksilberspie'gel, also eine niedere Temperatur genügt, auch
hier
wirkt sich die Höhe h. bzw. das ihr entsprecbende Volumen günstig aus; die
Eintauchtiefe des Kontaktes ist zweckmäßig kleiner als h, zu wählen.
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Bei größeren Schaltleistungen können statt des direkt schaltenden
Relais passende Zwischenrelais und Schaltschütze verwendet werden.
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Die Steighöhe h, läßt sich aus den Gasgesetzen genau errechnen, wobei
außer dem Raum von der Länge hi auch die Räume von den Längen k2 und h3
berücksichtigt
werden müsse#n. Der Raum h2 soll
nicht zu groß, sein, er umfaßt eigentlich
auflier dem kleinen schädlichen Raum zwischen Quecksilberspiegel in der Nullstellung
und dem Verschlußdeckel e noch die Kapillarleitung zum Hohlkörper a des Gebers.
h3 ist die Höhe des zusätzlichen Raumes zwischen dem Quecksilberspiegel in
der Nullstellung und der Meßkapillare g. Entfällt h., so ergibt sich
für den gesamten Temperaturbereich eine größere Gesamthöhe h.., dabei sind jedoch
die Intervalle in den haheren Temperaturbereichen ziemlich klein, so daß die Skalenwerte
zu eng für eine feinfühlige Regelungwerden. Gibt man h. einen passenden Wert,
so verringert sich zwar die Gesarn-thöhe der Quecksilb-ersäule, weil in den unteren
Temperaturbereichen erst der Raum h. infolge der Luftausdehnung von Raum
h. her aus-gefüllt werden muß; die Skalenteilung im Bereich höherer Temperaturen
wird jedoch bedeutend größer in den Ab-
ständen, weil der Gegendruck der Quecksilbersäule
infolge der Kürzung der Gesamthöhe bedeutend geringer wird. (Wählt man z. B.
h" statt Null im Ausmaß von 5o mm, so wird unter bestimmten Voraussetzungen
inder Bemessung hz statt 64o mm nur 247 mm. Im interessierenden Temperaturberei#ch
nimmt dabei der Skalenwert für io' von o,6 mm auf 1,5 min zu.) Da in der Schwermetall-
und keramischen Industrie die gebräuchlichen Ofentemperaturen über 6oo' liegen,
genügt es, wenn die Ablese- und Regelskala, oberhalb 6oo' beginnt. Durch die Einschaltung
von k. gewinnt man außerdem eine handliche Höhe für den Apparat.
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Die Höhe h2 stellt einen schädlichen aber nicht vermeidbaren Raum
dar, sie ist aber #ür #die Anzeige von verhältnismäßig kleinem Einfluß. Selbst ein
Wert von io mm für h. bewirkt nur eine unerwartet geringe Verschiebung der Skalenwerte.
Es kann daher, wie rechnerisch nachweisbar, auch die kapillare Zuleitung zwischen
Geber und Empfänger ziemlich lang gemacht werden, so daß unter Umständen auch eine
räumliche Trennung der beiden Teile möglich ist. Geber und E#ripfänger können also
zu einer Einheit zusammengebaut oder getrennt, verbunden nur mit Kapillare, aufgestellt
werden.
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Wichtig ist für das genaue Arbeiten des Temperaturreglers noch, daß
die Abhängigkeit seiner Anzeige von der Temperatur in der Umgebung des Empfängers
beachtet wird. Eine Temperaturerhöhung hier wirkt sich in einer Volumvermehrung
der Qu-ecksilberfüllung aus, es wird,dadurch h. und h3 gegenüberden ursprünglichen
Werten etwas verringert. Zwar sind die Abweichungen nicht groß, doch wird :durch
die Antordnung -des Reglers in einem auf konstante Temperatuf gehaltenen Behälterdie
Fehlerquelle aus allen Schwankungen der Raumtemperatur mit Sicherheit ausgeschaltet.
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Der Fehler, der dadurch entsteht"daß sich nicht nur die Gasfüllung
im Hohlkörpera, sondern der Hohlkörper selbst ausdehnt, ist vernachlässigbar klein
wegen des großen Unterschiedes der Ausdehnungskoeffizientenvon Gas und keramischem
Stoff; er kann außerdem ih der Skala ausgeglichen werden.
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Endlich ist noch eine schädliche Beeinflussung der Anzeige durch den
atmosphärischen Druck möglich, der ständig auf - , die Quecksilbersäule in
der Meßkapillare wirkt, was infolge seiner Schwankungen bei gleichen Temperaturen
im Hohlkörper a verschiedene Anzeigen auf der Meßkapillare g ergeben könnte.
Zur Ausschaltung dieses Fehlers wird die Meßkapillare g gemäß Abb. 2 mit
einem allseits geschlossenen Ausgleichsraum u gasdicht verbunden, der ungefähr unter
Atmosphären-druck steht. Dieser Ausgleichsraum u wird so groß gewählt, daß die Änderungen
des Druckes in ihm, welche durch die Verschiebungen# des Quecksilbers in der Meßkapillare
g entstehen, die Genauigkeit der Anzeige innerhalb der zulässig-en Fehlergrenzen
lassen. Der Ausgleichsraum u muß aber ebenfalls auf konstanter Temperatur gehalten
werden und wird deshalb auch innerhalb des Behälters k angeordnet. Die Einstellvorrichtung
für den beweglichen Kontakt p
muß ferner mit dem Ausgleichsraum u und dem
Kapillarraum oben in g einen gegen die Atmosphäre luftdicht abgeschlossenen
Raum bildeli. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß auf die Meßkapillare
g
mittels eines schlauchartigen Verbindungsstückes v ein oben geschlossenes
Aufsatzrohr vi aufgesetzt wird, gleichzeitig kann an das Verbindungsstück v auch
der Ausgleichsraum u angeschlossen werden mittels eines Stutzens x.
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Die Einstellvorrichtung für den beweglichen Kontakt p ist an
dem Aufsatzrohr vi untergebracht und erhält in bekannter Weise im oberen Teil einen
Eisenkern y, der durch einen verschieblichen starken Magnetz in der gewünschten
Höhe festgehalten wird. Die elektrische Zuleitung zum Kontaktp kann dabei mit bekannten
Mitteln gas-dicht eingeführt werden, wobei innen wegen der Verstellbarkeit entsprechend
leicht dehnbare Drahtspiralen od. dgl. (nicht gezeichnet) eingeschaltet werden.
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Wichtig für das richtige Arbeiten des Temperaturregl-ers ist, daß
der Empfänger horizontal aufgestellt wird, was sich durch eine- eingebaute Dosenlibelle
(nicht gezeichnet) dauernd prüfen läßt und daß die Skala an der Meßkapillare
g festgelegt wird bei derjenigen Temperatur im Behälter k, die später
als konstante Temperatur dauernd darineingeregelt wird.