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Einrichtung zur Regelung der Energiezufuhr bei industriellen Öfen
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Regelung der Energiezufuhr bei
industriellen Öfen auf einen Sollwert der Wärmguttemperatur mit einem in Abhängigkeit
von der Ofentemperatur und der Temperatur des Wärmgutes arbeitenden Regler, bei
dem ein durch Sollwertaufschaltung verstellbarer Sollwert vorgesehen ist und einem
weiteren, zur Erfassung der Abweichung der Isttemperatur des Wärmgutes von ihrem
Sollwert dienenden Regler, an welche Regler ein Nachlaufwerk angeschlossen ist,
wobei als Regler Kompensationsregler in Brückenschaltung vorgesehen sind.
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Es ist bekannt, die Energiezufuhr zu industriellen Öfen sowohl von
der Innentemperatur des Ofens als auch von der Temperatur des Wärmgutes selbst abhängig
zu machen, um das Wärmgut möglichst rasch aufzuheizen und dabei die Gefahr einer
Überhitzung zu vermeiden und um dadurch den Energieverbrauch möglichst gering zu
halten. Ein bekannter Regler dieser Art ist als Zweipunktregler ausgebildet, bei
dem nur zwei Werte für die Steilgröße möglich sind; dieser gestattet, -die Energiezufuhr
einerseits bei einer maximalen Wärmguttemperatur und andererseits bei Überschreiten
einer maximalen Differenz zwischen der jeweiligen Ofen- und Wärmguttemperatur abzuschalten.
Diese vorbekannte Regeleinrichtung bezweckt im wesentlichen, eine Überhitzung des
Werkstückes sowie unnötige Wärmeverluste zu vermeiden und ist mit dem Nachteil einer
hohen Schalthäufigkeit der Energiezufuhr behaftet; diese diskontinuierlich arbeitende
Regeleinrichtung verursacht im Ofen erhebliche Temperaturschwankungen.
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Im einzelnen erfolgt diese Regelung in der Weise, daß beim Aufheizen
die Wärmezufuhr zum Ofen im gleichen Maße abgesenkt wird, als sich die Temperatur
des Werkstückes an eine gewünschte Maximaltemperatur annähert, wobei diese Maximaltemperatur
die jeweilige Wärmguttemperatur um einen gewissen Temperaturbetrag überschreitet,
der von dem Temperaturüberschuß von der Ofentemperatur über der Wärmguttemperatur
abhängt.
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Es ist weiter bekanntgeworden, für vollautomatisch geregelte Durchstoßöfen
Temperaturregler vorzusehen, die nach dem Prinzip des selbstabgleichenden Potentiometers
arbeiten. Wegen der verhältnismäßig kleinen Spannungen der als Temperaturmeßeinrichtungen
verwendeten Pyrometer ist dort überdies eine zweistufige Verstärkung erforderlich.
Bei Durchstoßöfen wurde vorgeschlagen, die Temperaturregelung in der Weise vorzunehmen,
daß der Sollwert der Brennstoffzufuhr automatisch in Abhängigkeit vom Ausgangsluftwert
automatisch verstellt wird, wobei noch zusätzlich das Verhältnis Brennstoff :Luft
einzustellen ist. Es war hierbei geplant, den Sauerstoffgehalt der Luft als Störwert
in diese Regelung einzuführen, was sich aber nicht bewährt hat.
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Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung gewährleistet einen kontinuierlichen
Temperaturverlauf und überdies eine genaue Regelung dadurch, daß jeder der Reglerbrückenschaltungen
je eine weitere aus Potentiometerwiderständen aufgebaute Brückenschaltung zugeordnet
ist, in denen die Schleifer der Potentiometerwiderstände durch das als Wendemotor
ausgebildete Nachlaufwerk steilbar sind und deren Diagonalspannungen in Serie mit
dem Temperaturfühler der zugeordneten Reglerbrückenschaltung in deren Diagonale
eingeführt sind, wobei zur Bereicheinstellung der von der Temperaturabweichung des
Wärmgutes abhängigen Sollwertaufschaltung Justierwiderstände zwischen die letztgenannten
Brückenschaltungen und die zugehörigen Speisespannungsquellen geschaltet sind.
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Durch die Erfindung ist z. B. bei Stoßöfen bzw. Durchstoßöfen in der
Stahlindustrie der Vorteil erreicht, daß die Temperatur des Wärmgutes ohne wesentliche
Schwankungen auch bei zeitlichen Schwankungen der Durchsatzmenge den gewünschten
Sollwert möglichst rasch annimmt. Die Erfindung ist aber nicht nur bei Stoßöfen
oder Durchsatzöfen anwendbar. sie läßt sich darüber hinaus in allen solchen industriellen
Öfen anwenden, wo eine Messung der Isttemperatur des Wärmgutes -durchführbar ist.
Die Einrichtung nach der Erfindung bewirkt, daß die bei
Beginn der
Aufheizung des Warmgutes vorhandene Abweichung seiner Isttemperatur von der Solltemperatur
eine Hinaufsetzung der Solltemperatur des Ofens bewirkt und diese -so lange aufrechterhalten
wird, bis die Temperatur, gegebenenfalls auch nur die Oberflächentemperatur -des
Warmgutes die Solltemperatur erreicht hat. Danach wird die zugeführte Energiemenge
bzw. Biennstöffmenge so weit verkleinert, daß sie zur Aufrechterhaltung der Ofensolltemperatur
ausreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben.
Dieses Ausführungsbeispiel betrifft eine Einrichtung nach der Erfindung, bei der
die Abweichung der Isttemperatur des Warmgutes von seiner Solltemperatur in den
Regler eingeführt ist, der die dem Ofen zugeführte Energiemenge in Abhängigkeit
von der Ofentemperatur regelt.
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Im vorliegenden Beispiel wird die Temperatur des Ofenraumes, z. B.
die Temperatur der Ofenatmosphäre, mit wenigstens einem Thermoelement 1 oder auch
mit einem Gesamtstrahlungspyrometer mit Glührohr gemessen. Die dem Thermoelement
1 zugeordnete Reglerbrückenschaltung ist mit I bezeichnet. Das Nullgalvanometer
2 dieses Reglers liegt in der Diagonale einer aus den Widerständen 3 bis 7 aufgebauten
Brückenschaltung in Serie mit dem Thermoelement 1. Zur Sollwerteinstellung für die
vom Regler einzuhaltende Ofentemperatur dient das Potentiometer 7, an dessen Abgriff
die Brückendiagonale angeschlossen ist. Mit 8 ist die Rückführung angedeutet. Die
Einspeisung der Reglerbrückenschaltung I erfolgt über die Anschlußpünkte 9 bis 10.
In die Ausgangskontakte 11, 12 ist das hier nicht gezeichnete Stellglied des Reglers
gegebenenfalls über ein Fallbügelsystem angeschlossen, das die Energiezufuhr zum
Ofen, z. B. durch Drosselung der zugeführten Brennstoffmenge, beeinflußt. Mit 13
ist die Kontaktzunge des Nullgalvanometers angedeutet.
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Zur Messung der Isttemperatur des Warmgutes ist weiter ein Gesamtstrahlungspyrometer
14 mit Visierrohr vorgesehen: Dieses Pyrometer liefert eine :der Isttemperatur des
Warmgutes, gegebenenfalls auch nur eine der Isttemperatur der Oberfläche des Warmgutes
entsprechende elektrische Gleichspannung, die in einer aus den Widerständen 15 bis
19 aufgebauten Reglerbrückenschaltung II mit der der Solltemperatur des Warmgutes
entsprechenden Gleichspannung verglichen wird, -die am Sollwertgeber 19 durch Verstellung
des Potentiometerabgriffes vorgegeben werden kann. Der Vergleich wird vom Nullgalvanometer
20 durchgeführt, das in der Brückendiagonale angeordnet ist und in Serie zum Pyrometer
14 liegt. Die Reglerbrückenschaitung II ist weitgehend ähnlich wie die Reglerbrückenschaltung
I aufgebaut. An die Ausgangskontakte 21, 21' des Nullgalvanometers sind gegebenenfalls
überein Fallbügelsystem die Motoren 24, 25 angeschlossen. Die Kontaktzunge 23 schließt
z. B. bei Unterschreitung der Isttemperatur des Warmgutes gegenüber der Solltemperatur
die Kontakte 21, wodurch der Motor 25 zu laufen beginnt, während bei Überschreitung
der Temperatur des Warmgutes die Kontakte 21' geschlossen werden und der Motor 24
mit entgegengesetzter Drehrichtung anläuft. Die Motoren werden vom Netz 26 gespeist.
Sie drehen die Welle 27 im oder entgegen dem Uhrzeigersinn, je nachdem, welcher
Motor vom Nullgalvanometer Impulse bekommt. Die Welle 27 verstellt den Abgriff von
Potentiometerwiderständen 28, 29. Der Widerstand 29 dient dabei als feste Rückführung
für die Reglerbrückenschaltung II zur Feststellung der Abweichung der Isttemperatur
des Warmgutes vom Sollwert.
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Die Potentiometeiwiderstände 28 und 29 bilden mit den Widerständen
30 und 31 je Brückenschaltungen III und IV. Die Diagonalspannung der Brücke III
wird über das Thermoelement L in die Diagonale der Reglerbrückenschaltung I eingeführt.
In der Diagonale der von den Widerständen 29 und 31 gebildeten Brücke IV liegt ein
Pyrometer 14, wobei die Diagonalspannung in die Diagonale der ReglerbrückenschaltungII
eingeführt ist. Die Brückenschaltungen HI und IV erhalten von den Justierwiderständen
32 bzw. 33 Spannung von einer Gleichstromquelle 34 bzw. 35. Die aus den Widerständen
28 und 30 einerseits und aus den Widerständen 29 und 31 andererseits aufgebauten
Brückenschaltungen III und IV sind so justiert, daß bei Übereinstimmung der Isttemperatur
des Warmgutes mit seiner Solltemperatur in den Brückendiagonalen keine Spannungen
auftreten.
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Die dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt, wobei angenommen
wird, daß die vom Thermoelement 1. gemessene Temperaturdes Ofenraumes mit der Solltemperatur
übereinstimmt. Weicht in diesem Fall die Temperatur des Warmgutes von der Solltemperatur
ab, so bedeutet das zunächst eine Verstimmung der zugeordneten Reglerbrückenschaltung
II. Das Nullgalvanometer 20 schlägt nach der entsprechenden Richtung aus, und einer
der Motoren 24 oder 25 beginnt zu laufen. Dadurch werden über die Welle 27 die Abgriffe
der Widerstände 28 und 29 so weit verstellt, bis durch die geänderte Stellung des
Abgriffes am Widerstand 29 die der Temperaturabweichung des Warmgutes entsprechende
Spannung des Pyrometers 14 kompensiert ist.
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Die Verdrehung der Welle 27 hat weiter eine Änderung,der Stellung
des Abgriffes am Widerstand 28 zur Folge. An .den Abgriffen der Widerstände 28 und
30 entsteht daher eine Spannung, deren Größe vom Drehwinkel 27 abhängt und somit
auch ein Maß für die Abweichung der Isttemperatur des Warmgutes von der Solltemperatur
ist. Diese Korrekturspannung wird in den Diagonalzweig der Reglerbrückenschaltung
I eingeführt und ruft eine Verstimmung der Brückenschaltung hervor, die z. B. bei
zu geringer Isttemperatur des Warmgutes wie eine Erhöhung ges am Widerstand 7 eingestellten
Sollwertes, hingegen bei zu hoher Isttemperatur des Warmgutes wie eine Herabsetzung
des am Widerstand 7 eingestellten Sollwertes der Reglerbrückenschaltung I wirkt.
Dadurch schlägt das Nullgalvanometer 2 aus und schaltet gegebenenfalls über ein
Fallbügelsystem das Stellglied zur Beeinflussung der Energiezufuhr zum Ofen ein.
Wird auf Grund der sich einstellenden erhöhten Brennerleistung die Solltemperatur
des Warmgutes erreicht, so wird die von der Reglerbrückenschaltung II kommende Korrekturspannung
Null. In diesem Falle ist die Arbeitsweise des Reglers I zur Konstanthaltung der
Ofentemperatur nur von der Übereinstimmung oder der Abweichung der vom Thermoelement
1 gemessenen Isttemperatur des Ofens von der am Widerstand 7 eingestellten Sollteriiperatur
abhängig.
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Mit Hilfe der Justierwiderstände 32 und 33, über die die Speisespannung
zu den Brückenschaltungen der Widerstände 28 und 30 bzw. 29 und 31 geführt
wird,
ist es möglich, den Einfluß der von der Temperatur des Wärmgutes abhängigen Korrekturspannung
für die Reglerbrückenschaltung I zu wählen und zu bestimmen, in welchen Grenzen
der Sollwert der Ofentemperatur bei Abweichung der Isttemperatur des Wärmgutes vom
Sollwert durch die Korrekturspannung beeinflußt werden soll.
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An die dargestellte Einrichtung können beliebig viele Reglerbrückenschaltungen
I angeschlossen werden, wenn die Temperatur des Ofenraumes an mehreren Stellen mit
Thermoelementen gemessen wird oder die Aufheizung des Ofens über mehrere Heizstellen
erfolgt. Für jede dieser Regeleinrichtungen ist dann ein eigener Widerstand
28 auf der Welle 27 an einer entsprechenden Brückenschaltung anzuordnen.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Einrichtung liegt darin, daß die Regelung
der Ofentemperatur mittels des Reglers I auch bei Ausfall oder Störung der in Abhängigkeit
von der Wärmguttemperatur arbeitenden Reglerbrückenschaltung 1I nicht beeinflußt
wird. Sie läßt .sich außerdem an praktisch jeden Betriebsfall anpassen.
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Es ist z. B. im Hinblick auf eine willkürlich vorzunehmende Änderung
des eingestellten Sollwertes für die einzuhaltende Ofentemperatur am Widerstand
7 des Reglers I von Vorteil, anzuzeigen, ob die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
auf dem am Widerstand 7 des Reglers I eingestellten Sollwert oder auf dem durch
die Korrekturspannung der Reglerbrückenschaltung II und in der Folge durch die Diagonalspannung
der Brücke III abgeänderten Sollwert arbeitet. Zu diesem Zweck sind auf der vom
Nachlaufwerk 24, 25 betätigten Achse 27 zur Einstellung der Potentiometerwiderstände
28 und 29 verstellbare Nockenscheiben 36 und 37 befestigt, die über
Kontakte 38, 39 Signaleinrichtungen, z. B. Signallampen 40 und 41, schalten, die
vom Netz 42 gespeist werden. Die Signaleinrichtung läßt sich durch entsprechende
Justierung der Nockenscheibe 36 und 37 so einstellen, daß das eine Signal 40, z.
B. eine rote Lampe, dann brennt, wenn sich die Welle 27 verstellt und eine Korrektur
im Sinne einer Erhöhung des am Widerstand 7 in der Reglerbrückenschaltung I eingestellten
Sollwertes bewirkt, hingegen das andere Signal, z. B. eine grüne Lampe, dann eingeschaltet
wird, wenn,die Welle 27 nach der anderen Richtung verstellt wird und keine Korrektur
im Sinne einer Herabsetzung des am Widerstand 7 in der Reglerbrückenschaltung I
eingestellten Sollwertes über die Diagonalspannung der Brücke III zustande kommt.
In der Nullage der Welle 27 können gegebenenfalls beide Signale gleichzeitig eingeschaltet
sein. Diese den Betriebszustand der Regeleinrichtung kennzeichnende Signalgebung
läßt auch einen Rückschluß auf den Zustand des behandelten Wärmgutes zu. Das Brennen
des einen Signals, z. B. des Signals 40, bedeutet nämlich zugleich, daß die
Isttemperatur des Wärmgutes unterhalb seiner Solltemperatur liegt, das Brennen des
anderen Signals 41 zeigt an, daß die Isttemperatur des Wärmgutes die Solltemperatur
überschritten hat, während das gleichzeitige Brennen beider Signale der übereinstimmung
von Soll- und Isttemperatur des Wärmgutes entspricht.