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Vorrichtung zum Messen der Temperaturen von Oberflächenschichten elektrisch leitender Körper.
Zur Bestimmung der Temperaturen von Oberflächenschichten elektrisch leitender Körper kann man Thermoelemente oder elektrische Widerstandsthermometer benutzen, die mit den zu messenden Körpern in Berührung gebracht werden. Dabei ist aber eine elektrische Isolation der Thermoelemente oder Widerstandsspulen von dem elektrisch leitenden Körper erforderlich. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass der Wärmeübergang durch die Isolierschicht erschwert und damit das Messergebnis unter Umständen gefälscht wird. Wenn der Körper, dessen Temperatur bestimmt werden soll, betriebsmässig hin und her schwingt oder umläuft, so ist es ausserdem sehr störend, dass bewegliche Zuleitungen oder Schleifkontakte vorgesehen werden müssen. Man hat deshalb z.
B. zur Messung der Temperatur von Kalanderwalzen bisher meist Thermoelemente benutzt, die in einem gut wärmeisolierten, nach einer Seite hin offenen Behälter gelagert sind, wobei die offene Seite des Behälters der Walzenfläche zugekehrt ist. Diese bekannte Art der Messung bedingt nicht nur eine verhältnismässig umständliche Einrichtung, sie hat vor allem auch den Nachteil, dass lediglich die von der Walzenoberfläche ausgeströmte Wärme wirkt, wodurch unter Umständen erhebliche Messfehler entstehen können.
Gemäss der Erfindung wird zur Temperaturmessung von Oberflächenschichten elektrisch leitender Körper eine Einrichtung zum elektrischen Erzeugen eines Wechselfeldes benutzt, welche Einrichtung in bezug auf den elektrisch leitenden Körper so angeordnet ist, dass das Feld die Oberflächenschicht durchsetzt, deren Temperatur gemessen werden soll, sowie ein in den Erregerkreis des Wechselfeldes eingeschaltetes Gerät zur Messung der Energie, die zur Erzeugung des Wechselfeldes nötig ist. Das Wechselfeld ruft in dem elektrisch leitenden Körper Wirbelströme hervor.
Infolge der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes ändert sich nun die Stärke der Wirbelströme ebenfalls mit der Temperatur, und somit kann die durch das in den Erregerstromkreis des Wechselfeldes eingeschaltete Gerät gemessene Energie als Mass für die Temperatur in der von dem Wechselfeld durchsetzten Oberflächenschicht des leitenden Körpers dienen.
Je nach der Frequenz des benutzten Wechselstromes dringt das Wechselfeld mehr oder weniger tief in das Innere des leitenden Körpers ein. Man ist daher in der Lage, die Frequenz so zu wählen, dass das Feld nur diejenige Oberflächenschicht durchdringt, deren Temperatur gemessen werden soll. Im allgemeinen ist die Verwendung eines Wechselstromes von etwa 500 Perjsek besonders zweckmässig.
Das Wechselfeld wird vorzugsweise mittels einer Wicklung in einem Eisenkörper erzeugt, der in einem. bestimmten Abstand der Oberfläche des leitenden Körpers gegenübersteht. Wenn die Temperatur einer Kalanderwalze auch während der Drehung gemessen werden soll, so können sich Ungleichmässigkeiten in der Form der Walze oder Ungenauigkeiten der Zentrierung durch periodische Änderungen der Stromstärke im Messstromkreis störend bemerkbar machen. Um diese Störungen zu verringern, ist es zweckmässig, den Abstand des Eisenkörpers von der Oberfläche der Walze nicht zu klein zu wählen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur von Kalanderwalzen schematisch dargestellt. 1 ist ein Teil der Walze, 2 ein U-förmiger Eisenkörper, der eine aus den Spulen 3 und 4 bestehende Wicklung trägt, die über ein elektrisches Messgerät 5 an eine Wechselstromquelle 6 angeschlossen ist. Die Polenden des Eisenkörpers stehen in einem genügend grossen Abstand der Oberfläche der Walze gegenüber, um die erwähnten Störungen möglichst zu verringern.
Die Störungen, die durch Ungleichheiten des Abstandes des Eisenkörpers von der Walze bedingt sind, können dadurch beseitigt werden, dass Mittel vorgesehen sind, um den Abstand des Eisenkörpers von der Oberfläche der Walze auch bei der Drehung selbsttiitig gleirhznhalten. Zu diesem Zwecke
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kann der Eisenkörpr z. B. auf einem kleinen Wagen befestigt sein, dessen Räder durch Gewichts-oder Federkraft dauernd in Berührung mit der Oberfläche der Walze gehalten werden. Man kann aber auch mehrere Eisenkörper gleichmässig auf den Umfang der Walze verteilen, um den störenden Einfluss bei derDrehungauszugleichen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine derartige Anordnung. In den Stromkreis der Wechselstromquelle 6
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geschaltet, die an zwei einander gegenüberliegenden'Punkten der Walzenoberfläche angeordnet sind.
Es können auch mehr als zwei getrennte Eisenkörper vorgesehen sein, die auf dem Umfang der Walze gleichmässig verteilt sind..
Weitere Messfehler können unter Umstanden auch durch Änderung des ohmschen Widerstandes der Spule infolge von Temperaturänderungen entstehen. Zur Vermeidung dieses Fehlers kann man einerseits den Querschnitt des Spulendrahtes möglichst gross wählen, so dass das Verhältnis des ohmschen Widerstandes zu dem induktiven Widerstand der Spule möglichst klein wird. Man kann aber unter Umständen die Wicklung auch aus einem Werkstoff herstellen, dessen Widerstand von der Temperatur weitgehend unabhängig ist. Man kann schliesslic11 in den Erregerkreis noch einen besonderen zum Ausgleich dienenden temperaturabhängigen Widerstand einschalten.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist noch den grundsätzlichen Nachteil auf, dass das Messergebnis von der Spannung der Wechselstromquelle abhängt. Diesen Nachteil kann man durch Verwendung eines Quotientenmessgerätes beheben, bei dem die elektrisch erzeugte Riehtkraft von der das Wechselfeld erzeugenden Spannung abhängig ist.
Um die Messung möglichst empfindlich zu machen, ist die Verwendung einer Brüekenschaltung zweckmässig. Dabei wird die Erregerwicklung des Wechselfeldes vorzugsweise in den einen Brücken- zweig gelegt und das elektrische Messgerät in die Diagonale.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines fremderregten Messgerätes. Derartige Messgeräte zeigen grundsätzlich grössere Empfindlichkeit als solche ohne Fremderregung. Ausserdem ist ihre Anzeige von der Phasenlage des Erregerstromes abhängig. In diesem Falle ist es zweckmässig, in den Erregerkreis des Messgerätes Mittel zur Veränderung der Phasenlage des Erregerstromes anzuordnen und die Phasen- lage der Erregung so einzustellen, dass die Abhängigkeit der Anzeige von Änderungen des Abstandes des-Wechselfeldes von der Oberfläche des zu messenden leitenden Körpers möglichst gering wird.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Anteil des Diagonalstromes, der von dem wechselnden Abstand der Messwicklung von der Oberfläche des zu untersuchenden leitenden Körpers herrührt, eine andere Phasenlage aufweist als der Anteil des Diagonalstromes, der auf die zu messende Temperaturänderung zurück- zuführen ist. Infolgedessen ist es möglich, die Phasenlage des Erregerstromes des Messgerätes so ein- zustellen, dass diese im wesentlichen um 900 gegen die Phasenlage des von Abstandsänderungen herrührenden Anteils des Diagonalstromes verschoben ist. In diesem Falle wird der Einfluss des Abstandes des Wechselfeldes von der Walzenoberfläche auf ein Mindestmass herabgedrückt.
Als fremderregtes Messgerät kann ein phasenabhängiges, Wechselstromgerät, z. B. ein dynamo- metrisches verwendet werden. Benutzt man ein dynamometrisches Doppelspulgerät, so erreicht man gleichzeitig den Vorteil, dass die Anzeige unabhängig von Spannungsänderungen der Wechselstromquelle wird. Besonders vorteilhaft ist aber die Verwendung eines Gleichstromgerätes in Verbindung mit einem als Gleichrichter wirkenden fremderregten Synchronschalter. Dabei kann das Gleichstromgerät auch als Quotientenmessgerät, vorzugsweise als Kreuzspulgerät ausgebildet werden, um eine von
Spannungsschwankungen unabhängige Anzeige zu erhalten.
Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch zwei Beispiele der zuletzt besprochenen Ausführungen.
Nach Fig. 3 liegt die Messwicklung 3 in einem Zweig einer Brückenschaltung, die ausserdem aus den festen Widerständen 7, 8, 9 und einem zwischen der Wicklung 3 und dem festen Widerstand 7 angeordneten Widerstand 10 mit verschiebbarer Stromabnahmestelle 11 besteht. Die Stelle 11 und der Verbindungspunkt 12 zwischen den Widerständen 8 und 9 sind mit den Klemmen 13 und 14 einer Wechselstromquelle verbunden. An die Diagonalpunkte 15 und 16 ist die eine Drehspule 17 eines elektrodynamischen Doppelspulgerätes angeschlossen, dessen zweite Drehspule 18 in bekannter Weise über einen Widerstand 19 geschlossen ist. Die feste Feldspule 2 (t des Doppelspulgerätes ist über einen Phasenschieber beliebiger bekannter Bauart 21 an die Wechselstromquelle angeschlossen.
Wenn die Temperatur der Walze sich ändert, so ändert sich der elektrische Widerstand des Walzenwerkstoffes und dementsprechend auch die Stärke der von dem Wechselfeld der Wicklung 3 in der entsprechenden Oberflächenschicht der Walze erzeugten Wirbelströme. Die Folge davon ist eine Änderung des Scheinwiderstandes der Wicklung 3. Wird nun die Brücke durch Einstellen von 11 auf den einer bestimmten Normaltemperatur der Wälze entsprechenden Wert des Seheinwiderstandes der Wicklung 3 abgeglichen, so fliesst in dem Diagonalzweig der Brücke, also in der Drehspule 17, ein Strom, dessen Stärke der Abweichung von der Normaltemperatur entspricht.
Diese Abweichung kann an der
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dieses Abstandes bedingten Messfehler möglichst zu verringern, kann man mittels des Phasenschiebers 21 die Phasenlage des Erregerstromes so einstellen, dass bei gleichbleibender Temperatur der Walze eine
Verschiebung des Eisenkörpers gegenüber der Walze eine möglichst geringe Veränderung des Messgerät- zeigerauschlages hervorruft.
Gemäss Fig. 4 ist der der Walze 1 gegenüberstehende Eisenkörper 2 mit der Wicklung 3 in ein wärmeisolierendes Gehäuse 22 eingeschlossen, das ausserdem noch einen temperaturabhängigen Widerstand 23 enthält, der in Reihe mit der Wicklung 3 in den einen Brückenzweig eingeschaltet ist. Der Widerstand 23 dient zum Ausgleich des Einflusses der Temperatur des Eisenkörpers 3 auf das Messergebnis, und die wärmeisolierende Umhüllung hat den Zweck, den Widerstand 23 der Temperatur des Eisenkörpers auszusetzen. Im übrigen ist die Brückenschaltung die gleiche wie nach Fig. 3. Als Messgerät dient ein Gleichstromgerät, dessen Drehspule 24 an die Diagonalpunkte 15 und 16 angeschlossen ist. Parallel zur Drehspule liegt der Kontakt 25 eines als Gleichrichter wirkenden fremderregten Synchronschalters.
Die Erregerwicklung 26 des Synchronschalters ist über einen Phasensehieber 21 an die Klemmen 13 und 14 derselben Wechselstromquelle angeschlossen, die auch den Strom für die Brückenschaltung liefert. Als Synchronschalter kann in bekannter Weise ein elektromagnetisch betriebener Zungengleichrichter verwendet werden. Man kann jedoch auch einen polaritätsabhängigen Widerstand, z. B. einen fremdgesteuerten Trockengleichrichter, benutzen. In jedem Falle wird ebenso wie bei der Schaltung nach Fig. 3 der Phasenschieber 21 zweckmässig so eingestellt, dass der Einfluss von Abstands- änderungen des Eisenkörpers 2 von der Walze 1 möglichst gering wird.
Als Gleichstromgerät kann ein Drehspulgerät mit Drehungsfedern als mechanischer Gegenkraft verwendet werden. Wenn aber der Einfluss von Spannungsschwankungen der Wechselstromquelle aus- geschaltet werden soll, so wird zweckmässig ein Quotientenmessgerät verwendet, z. B. ein Kreuzspulgerät, dessen Richtspule 27, ebenfalls über einen Gleichrichter 28, an die Zuführungen zur Wechselstromquelle angeschlossen ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Messen der Temperaturen von Oberflächenschichten elektrisch leitender
Körper bestehend aus einer Einrichtung zum elektrischen Erzeugen eines Wechselfeldes, welche Ein- richtung in bezug auf den elektrisch leitenden Körper so angeordnet ist, dass das Feld die Oberflächen- schicht durchsetzt, deren Temperatur gemessen werden soll, sowie aus einem in den Erregerkreis des
Wechselfeldes eingeschalteten Gerät zur Messung der Energie, die zur Erzeugung des Wechselfeldes nötig ist.