DE2322694B2

DE2322694B2 - CIRCUIT FOR GENERATING A TIME VARIOUS COMPARATIVE VOLTAGE AS A SLIDING SET POINT IN ELECTRONIC TEMPERATURE CONTROLLERS

Info

Publication number: DE2322694B2
Application number: DE19732322694
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kapfenberg Korntheuer (Österreich)
Original assignee: Vereinigte Edelstahlwerke AG (VEW), Wien Niederlassung Vereinigte Edelstahlwerke AG (VEW) Verkaufsniederlassung Büderich, 4005 Meerbusch
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-05
Publication date: 1976-11-04
Also published as: AT322239B; DE2322694A1; US3819950A; FR2185291A5; DE2322694C3; CH559391A5; IT985072B

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Vergleichsspannung als gleitender Sollwert in elektronischen Temperaturreglern für Abkühlungs- oder Aufheizvorgänge unter Verwendung eines Meßwertgebers für die Ist-Temperatur, vorzugsweise eines Thermoelementes, dessen Spannung mit der Vergleichsspannung verglichen wird.The invention relates to a circuit for generating a time-varying comparison voltage as a sliding setpoint in electronic temperature controllers for cooling or heating processes using a transducer for the actual temperature, preferably a thermocouple, whose voltage is compared with the reference voltage.

Das Aufheizen oder Abkühlen von öfen, Werkstücken usw. erfolgt in der Praxis zumeist nicht mit linearen Aufheiz- oder Abkühlungsgeschwindigkeiten, sondern folgt in der Regel einem exponentiellen Zeit-Temperatur-Gesetz. Es ist aber auch üblich, nur bestimmte Temperaturbereiche mit linearer Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeit zu durchlaufen und das Aufheizen oder Abkühlen in den benachbarten Temperaturbereichen nach einem exponentiellen Zeit-Temperatur-Gesetz vorzunehmen.The heating or cooling of ovens, workpieces etc. is mostly not carried out in practice linear heating or cooling rates, but usually follows an exponential one Time-temperature law. However, it is also common to use only certain temperature ranges with linear heating and go through cooling rate and heating or cooling in the adjacent Temperature ranges according to an exponential time-temperature law.

Während der lineare Zeit-Temperaturverlauf z. B. durch die Angabe ° C/min ausreichend definiert ist, kann der exponentiell Zeit-Temperaturverlauf durch Angabe der Zeitkonstante τ beschrieben werden. Der Wert der Zeitkonstante τ in Sekunden besagt, daß nach Ablauf dieser Zeit τ der Ausgangswert der Temperatur zur Zeit /₀ im konkreten Fall um den Faktor 0,368 kleiner geworden ist. Nach Ablauf einer Zeitspanne von 2 τ ist der Ausgangswert der Temperatur zur Zeit i₀ um den Faktor 0.368² kleiner geworden usw.While the linear time-temperature curve z. B. is sufficiently defined by specifying ° C / min, the exponential time-temperature curve can be described by specifying the time constant τ. The value of the time constant τ in seconds means that after this time τ the initial value of the temperature at time / _{0 has} decreased by a factor of 0.368 in this specific case. After a period of 2 τ has elapsed, the initial value of the temperature at time i _{0 has} decreased by a factor of 0.368 ² , and so on.

Während die Regelung von Aufheiz- oder Abkühlungsvorgängen mit linearem Zeit-Temperatur-Verlauf in der Praxis zumeist relativ einfach durchgeführt werden kann, bereitet die Regelung von solchen Vorgängen die einem exponentiell Zeit-Temperatur-Gesetz folgen soll, zumeist erhebliche Schwierigkei-During the regulation of heating or cooling processes with a linear time-temperature curve can usually be carried out relatively easily in practice, prepares the regulation of such processes which should follow an exponential time-temperature law, usually considerable difficulties

Die Regelung von Aufheiz- oder Abkühlungsvorzäneen erfolgt im allgemeinen in der Form, daß z. B. die mit einem Thermoelement gemessene Werkstückoder Oien-Ist-Temperatur laufend mit dem vorgegebenen Temperatur-Sollwert verglichen und die Diffe-The regulation of heating up or cooling down times generally takes place in the form that, for. B. the workpiece measured with a thermocouple or Oien-actual temperature continuously with the given The temperature setpoint and the difference

renz zwischen Istwert und Sollwert jeweils auf ein Minimum eingeregelt wird. .The difference between the actual value and the setpoint is regulated to a minimum. .

Der Temperaturistwert wird üblicherweise durch Messung mit einem Thermoelement oder einem damit vergleichbaren Meßwertaufnehmer durchgeführt,The actual temperature value is usually given by Measurement carried out with a thermocouple or a comparable transducer,

wobei als Meßgröße eine elektrische Spannung im allgemeinen in der Größenordnung von mV anfällt. Dementsprechend wird auch als Sollwertgeber eine elektrische Spannungsquelle verwendet, die zum Vergleich mit dem Istwert eine Spannung gleicher Grö-with an electrical voltage generally in the order of magnitude of mV occurring as a measured variable. Accordingly, an electrical voltage source is also used as a setpoint generator, which is used for comparison with the actual value a voltage of the same size

ßenordnung liefert. Diese Spannung regelt man üblicherweise durch Verstellen eines regelbaren Spannungsteilers (Potentiometer) im Sollspannungsstromkreis Die vom Sollwertgeber abgegebene Spannung wird anschließend dem eigentlichen Regler zugeführt, der laufend den Istwert mit dem Sollwert vergleicht und bei bestehenden Differenzen die Heizleistung des Ofens in der Richtung steuert, daß die Differenz ein Minimum erreicht.order supplies. This voltage is usually regulated by adjusting an adjustable voltage divider (Potentiometer) in the setpoint voltage circuit The voltage delivered by the setpoint generator is then fed to the actual controller, which continuously compares the actual value with the setpoint and if there are differences, the heating output of the furnace controls in the direction that the difference is a Minimum reached.

Die Regelung von Aufheiz- oder Abkühlungsvor-The regulation of heating or cooling

gangen mit linearem Zeit-Temperaturverlauf wird im allgemeinen in der Weise durchgeführt, daß das Sollwertpotentiometer dem gewünschten Zeit-Temperaturverlauf entsprechend mit Hilfe eines einfachen elektromechanischen Antriebes z. B. in Form eines Getriebemotors mit stufenweiser Geschwindigkeitseinstellung, verstellt wird. a linear time-temperature curve is used in the generally carried out in such a way that the setpoint potentiometer the desired time-temperature curve accordingly with the help of a simple electromechanical drive z. B. in the form of a Gear motor with step-by-step speed adjustment, is adjusted.

Im Gegensatz dazu erfordert die Regelung von Aufheiz- und Abkühlungsvorgängen, die einem exponentiellen Zeit-Temperatur-Gesetz folgen sollen, für die Verstellung des Sollwertgebers einen vergleichsweise wesentlich größeren Aufwand, wie z. B. spc
zielle Funktionsgetriebe oder komplizierte Kurvenscheiben. In contrast, the regulation of heating and cooling processes that are to follow an exponential time-temperature law requires a comparatively much greater effort for adjusting the setpoint device, such as. B. spc
functional gearboxes or complex cam disks.

Es ist ein Regelsystem, insbesondere zur Regelung von Temperaturen bekannt, bei welchem über einen Rampengenerator ein vorzugsweise linear veränderlicher Sollwert für einen Temperaturregler vorgegeben wird. Das eben erwähnte Regelsystem ist verhältnismäßig kompliziert und überdies sind - wie bereits vor-There is a control system, in particular for controlling temperatures, in which a Ramp generator is given a preferably linearly variable setpoint for a temperature controller will. The control system just mentioned is relatively complicated and, as was already the case,

stehend angeführt wurde - linear veränderliche Sollwerte bei Abkühlungs- oder Aufheizvorgängen oft nachteilig.was stated above - linearly variable setpoints often during cooling or heating processes disadvantageous.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden und eine verhältnismäßig sehr einfache Einrichtung zur besonders vorteilhaften Regelung von Abkühlungs- oder Aufheizvorgängen zu schaffen.The invention is based on the object of avoiding the above-mentioned disadvantages and a relatively very simple device for particularly advantageous control of cooling or To create heating processes.

Erfindungsgemäß wird dies mittels einer Schaltung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß zur Erzeugung einer exponentiell verlaufenden Vergleichsspannung ein RC-Glied über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und daß dem RC-Glied ein Pufferverstärker nachgeschaltet ist, dessen Eingangswiderstand gegenüber dem Widerstand des RC-Gliedes sehr groß ist und vorzugsweise mindestens das Zehnfache des zuletzt angeführten Widerstandes beträgt und dessen Ausgangsseite mit dem Regelkreis verbunden ist.According to the invention this is achieved by means of a circuit of the type mentioned in that for Generation of an exponentially running comparison voltage to an RC element via a switch a DC voltage source is connected and that the RC element is followed by a buffer amplifier, whose input resistance compared to the resistance of the RC element is very large and preferably is at least ten times the resistance listed last and its output side with connected to the control loop.

Denn während der Zeit-Temperaturverlauf bei exponentiellem Aufheizen oder Abkühlen durch die Wärmekapazität des Systems und die Wärmezu- oder -abfuhr zum oder vom System bestimmt wird, hängt der Zeit-Spannungsverlauf bein Laden oder Entladen eines elektrischen Kondensators von seiner Kapazität und von der Größe des Widerstandes ab, durch den der Lade- oder Entladestrom fließt. Dementsprechend kann die Zeitkonstante eines Lade- oder Entladevorganges nach der FormelBecause during the time-temperature profile with exponential heating or cooling by the Heat capacity of the system and the heat supply or removal to or from the system is determined, depends the time-voltage curve when charging or discharging an electrical capacitor from its capacity and on the size of the resistor through which the charge or discharge current flows. Accordingly can be the time constant of a charging or discharging process according to the formula

T=AC Gleichung (1)T = AC equation (1)

berechnet werden, wobei τ die Zeitkonstante in Sekunden, R der Entladewiderstand in Megaohm und C die Kapazität des Kondensators in Mikrofarad bedeuten. Gegenüber den bekannten Einrichtungen zur Regelung von Abkühlungs- und Aufheizvorgängen bietet die erfindungsgemäße Schaltung den Vorteil, daß sie es in exakterer und dabei verhältnismäßig einfacher Weise gestattet, solche Vorgänge automatisch zu steuern.can be calculated, where τ is the time constant in seconds, R is the discharge resistance in megohms and C is the capacitance of the capacitor in microfarads. Compared to the known devices for regulating cooling and heating processes, the circuit according to the invention offers the advantage that it allows such processes to be controlled automatically in a more precise and relatively simple manner.

Im folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel erläutert, das durch die Zeichnung in schematischer Darstellung veranschaulicht ist. Die Fig. 1 zeigt in einem Koordinatensystem den mittels der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erzielten exponentiellen Zeit- Temperaturverlauf durch eine durchgezogene Kurve (und vergleichsweise den an früherer Stelle erwähnten linearen Zeit-Temperaiurverlauf durch eine strichpunktierte Gerade), wobei die Abszisse die Zeitachse darstellt und die Ordinate die Temperatur, Thermospannung usw. wiedergibt. Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsart der erfindungsgemäßen Schaltung.In the following the invention is in one embodiment explained, which is illustrated by the drawing in a schematic representation. the FIG. 1 shows the exponential achieved by means of the circuit shown in FIG. 2 in a coordinate system Time-temperature curve through a solid curve (and comparatively that on earlier The linear time-temperature curve mentioned in the first place by a dash-dotted straight line), the abscissa representing the time axis and the ordinate representing the Temperature, thermal voltage, etc. Fig. 2 shows a possible embodiment of the invention Circuit.

Die zur Ladung des RC-Gliedes 3 erforderliche Spannung wird dem RC-Glied über einen Schalter 2 von einer Gleichspannungsquelle 1 zugeführt. Mit dem Schalter kann der Ladevorgang eingeleitet und beendet werden. Dabei entspricht das Laden dem Aufheizen, das Entladen dem Abkühlen. Der Schalter 2 kann grundsätzlich in zwei Betriebsarten angewendet werden.The voltage required to charge the RC element 3 is supplied to the RC element via a switch 2 supplied by a DC voltage source 1. With the switch the charging process can be initiated and be terminated. Charging corresponds to heating up, discharging corresponds to cooling down. The desk 2 can basically be used in two operating modes.

Betriebsart 1:Operating mode 1:

Bei dieser Funktionsart wird der Ladevorgang manuell oder über elektrische Hilfskreise-Relais durch Schließen des Schalters 2 bzw. der Entladevorgang durch Öffnen des Schalters 2 eingeleitet. Bei dieser Funktion des Schalters 2 entspricht die Zeitkonstante des RC-Gliedes dem Produkt R mal C. With this type of function, the charging process is initiated manually or via electrical auxiliary circuit relays by closing switch 2 or the discharging process by opening switch 2. With this function of switch 2, the time constant of the RC element corresponds to the product R times C.

Betriebsart 2:Operating mode 2:

Dabei arbeitet der Schalter 2 in der Weise, daß nach Abschluß des Ladevorganges zunächst der Entladevorgang des RC-Gliedes eingeleitet wird; während des Entladevorganges des RC-Gliedes wird aber der Kondensator durch kurzzeitige Impulse über den Schalter 2 jeweils mit einer bestimmten, einstellbaren Ladungsmenge nachgeladen, wobei die Lademenge kleiner sein muß als die Entlademenge, da sonst keine Entladung stattfinden kann. Auf diese Weise läßt sich der Entladevorgang beliebig verlängern bzw. verlangsamen. Das Ausmaß der Verlängerung kann durch das Verhältnis zwischen den Einschaltzeiten und den Ausschaltzeiten, dem sogenannten Tastverhältnis bzw. durch die Nachlademenge bestimmt werden. Um insgesamt einen quasikontinuierlichen Entladevorgang des RC-Gliedes zu erzielen, soll das impulsartige Nachladen des Kondensators mit beliebiger Frequenz, vorzugsweise jedoch mit mehr als 10 Hz erfolgen, wobei das Tastverhältnis während des gesamten Entladevorganges des RC-Gliedes konstant bleiben soll. Beispielsweise ergibt ein Tastverhältnis von 1:1The switch 2 operates in such a way that, after the charging process has been completed, the discharging process first begins the RC element is initiated; during the discharging process of the RC element, however, the Capacitor by brief pulses via switch 2, each with a specific, adjustable Charge amount recharged, whereby the charge amount must be smaller than the discharge amount, otherwise none Discharge can take place. In this way, the discharge process can be lengthened or slowed down as desired. The extent of the extension can be determined by the relationship between the switch-on times and the Switch-off times, the so-called duty cycle, or can be determined by the recharge amount. Around to achieve a quasi-continuous discharge process of the RC element, the pulse-like The capacitor can be recharged at any frequency, but preferably at more than 10 Hz, with the duty cycle should remain constant during the entire discharging process of the RC element. For example, a duty cycle of 1: 1 results

(50 % ein- bzw. 50 % ausgeschaltet - mindestens 10 χ je Sekunde) beim Ladevorgang eine Verdoppelung der Zeitkonstante x. Wesentlich ist auch, daß sich auf diese Weise nicht nur der Entlade-, sondern auch der Ladevorgang des KC-Gliedes verlangsamen läßt.(50% switched on or 50 % switched off - at least 10 χ per second) a doubling of the time constant x during the charging process. It is also essential that in this way not only the discharging but also the charging process of the KC element can be slowed down.

Um auf die beschriebene Weise auch sehr langsam ablaufende Aufheiz- und Abkühlungsvorgänge exakt regeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Zeitkonstante des RC-Gliedes 3 möglichst groß ist. Nach Gleichung (1) bedeutet dies, daß für ein derartiges RC-Glied hohe Widerstände und Kondensatoren mit großer Kapazität verwendet werden sollten.In order to be precise in the manner described, even very slow heating and cooling processes To be able to regulate, it is advantageous if the time constant of the RC element 3 is as large as possible. To Equation (1) this means that for such an RC element with high resistances and capacitors large capacity should be used.

Wird nun ein solches RC-Glied mit dem eigentlichen Regelkreis 6 verbunden, so muß gewährleistetIf such an RC element is now connected to the actual control circuit 6, this must be guaranteed

werden, daß der Innenwiderstand des Regelkreises 6 wesentlich größer ist als der Widerstand des RC-Gliedcs 3, da sich im gegenteiligen Fall der Kondensator des RC-Gliedes im wesentlichen nicht ausschließlich über dessen Widerstand, sondern mehr oder weniger auch über den Innenwiderstand des Regelkreises entladen würde, wodurch es zu einer Veränderung der Zeitkonstante des RC-Gliedes und damit zu einer Änderung der Charakteristik des Sollwertgebers kommt.be that the internal resistance of the control circuit 6 is significantly greater than the resistance of the RC-Gliedcs 3, since in the opposite case the capacitor of the RC element is essentially not exclusively via its resistance, but more or less also via the internal resistance of the control loop which would lead to a change in the time constant of the RC element and thus to a The characteristic of the setpoint generator changes.

Um diese Fehlerquelle auszuschalten, ist vorgesehen, daß zwischen RC-Glied 3 und Regelkreis 6 ein Pufferverstärker 4 mit sehr hohem Widerstand des Eingangsstromkreises (d. h. mit sehr hohem Eingangswiderstand bzw. mit sehr hoher Eingangsimpe-In order to eliminate this source of error, it is provided that between RC element 3 and control circuit 6 a Buffer amplifier 4 with very high input circuit resistance (i.e. very high input resistance or with a very high input impedance

danz) geschaltet wird. Dieser Verstärker 4 ist so auszulegen, daß sein Eingangswiderstand größer als der Entladewiderstand des verwendeten RC-Gliedes 3 ist, vorzugsweise um mindestens das Zehnfache.
Die vom RC-Glied 3 und dem nachgeschalteten Pufferverstärker 4 abgegebene Spannung liegt in der Größenordnung von einigen Volt. Um im Regelkreis 6 einen Sollwert-Istwert-Vergleich durchführen zu können, muß die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 4 auf die Größenordnung der vom Temperaturmeßwertgeber 7 (Thermoelement, Widerstandthermometer) abgegebenen Meßspannung angepaßt werden. Zu diesem Zweck ist zwischen Pufferverstärker 4 und Regelkreis 6 ein geeigneter Spannungsteiler 5 geschaltet.danz) is switched. This amplifier 4 is to be designed so that its input resistance is greater than the discharge resistance of the RC element 3 used, preferably by at least ten times.
The voltage output by the RC element 3 and the downstream buffer amplifier 4 is of the order of magnitude of a few volts. In order to be able to carry out a setpoint / actual value comparison in the control circuit 6, the output voltage of the buffer amplifier 4 must be adapted to the order of magnitude of the measurement voltage emitted by the temperature sensor 7 (thermocouple, resistance thermometer). For this purpose, a suitable voltage divider 5 is connected between the buffer amplifier 4 and the control circuit 6.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Circuit for generating a time-varying Comparison voltage as a sliding setpoint in electronic temperature controllers for Cooling or heating processes using a transducer for the actual temperature, preferably a thermocouple whose voltage is compared with the reference voltage is, characterized in that for generating an exponentially running comparison voltage an RC element (3) via a switch (2) to a DC voltage source (1) is connected and that the RC element (3; a buffer amplifier (4) is connected downstream, whose Input resistance to the resistance of the RC element (3) is very large and preferably is at least ten times the resistance listed last and its output side is connected to the control circuit (6).

2. Circuit according to claim 1, characterized in that between the buffer amplifier (4) and control circuit (6) a voltage divider (5) is connected.

3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the capacitor of the RC element (3) by short-term impulses via the switch (2) with a certain adjustable Charge amount, which must be smaller than the discharge amount, can be recharged.