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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung im Inneren eines elektrisch leitenden Körpers, insbesondere eines Metallblocks, wobei der Körper von elektromagnetischen Wellen durchströmt wird und diese von einem mit Wechselstrom gespeisten Sender, vorzugsweise einer Spule, erzeugt werden und wobei elektrische Messwerte wie die Stromstärke, die Spannung, die Wirkleistung oder die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Sender ermittelt werden. Oft ist es erforderlich die Temperatur im Inneren von Körpern zu messen, vor allem ist dies bei der Stahlerzeugung wichtig, da es im Inneren eines hochlegierten erwärmten Metallblocks durch Temperaturunterschiede zu Gefügeänderungen kommen kann. Eine Temperaturmessung in einem bestimmten Querschnitt eines Körpers, vorzugsweise einem Metallblock, ist durch Auftrennen möglich.
Eine derartige Temperaturmessung erfolgt dann entweder berührungslos mit einem Strahlungspyrometer oder durch Berührung mit einem Thermoelement. Nachteilig dabei ist, dass eine Temperaturmessung im Inneren eines Körpers, z. B. einem erwärmten Werkstück, nur durch dessen Zerstörung erfolgen kann.
Eine Vorrichtung zum Messen der Temperaturen von Oberflächenschichten elektrisch leitender Körper ist in der AT-PS Nr. 139071 beschrieben. Diese besteht aus einem Eisenkörper, der mit einer Wicklung versehen ist und einen Abstand von dem Körper aufweist, dessen Temperatur gemessen werden soll. Die Wicklung wird von Wechselstrom durchflossen, der ein Wechselfeld erzeugt, das mehr oder weniger tief in das Innere des leitenden Körpers eindringt. Es wird die Frequenz des Stromes so gewählt, dass das Feld nur in die Oberflächenschicht eindringt, deren Temperatur gemessen werden soll.
Ändert sich die Temperatur im Körper, so ändert sich der elektrische Widerstand und dementsprechend auch die Stärke des von dem Wechselfeld der Wicklung in der Oberflächenschicht erzeugten Wirbelstromes. Die Folge ist eine Änderung des Scheinwiderstandes der Wicklung, der somit ein Mass für die Temperatur in der Oberflächenrandschichte des Körpers ist.
Weiters ist in den Zeichnungen der GB-PS Nr. 1, 443, 407 eine kontaktlose Temperaturmesseinrichtung, die auf dem Wirbelstromprinzip basiert, dargestellt. Sie weist eine Erregerspule und zwei zu dieser konzentrisch angeordnete Messspulen auf. Die Phasenverschiebung des Stromes in der Erregerspule zu dem in den Messspulen ist hiebei massgebend für die Temperatur in der Oberflächenschichte eines elektrisch leitenden Gegenstandes.
In der DE-OS 2801166 ist noch ein Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils der Oberfläche eines rotierenden Körpers mittels Wirbelströmen beschrieben, wobei ebenfalls die Messung berührungslos mittels einer Spule erfolgt. Das Temperaturprofil wird im kalten und im warmen Zustand des Körpers abgenommen und die Differenz ist die relative Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Körpers. Die Aufnahme erfolgt dabei entweder mit einem Schreiber oder einem Oszillographen.
Bei allen Einrichtungen bzw. Verfahren aus den letzten drei Druckschriften erfolgt jedoch nur die Messung des Temperaturmittelwertes der Randschicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Methode zu schaffen, mit der es möglich ist, das Temperaturbild über den Querschnitt eines elektrisch leitenden Körpers zerstörungsfrei aufzunehmen.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Frequenz der elektromagnetischen Wellen schrittweise oder kontinuierlich verändert wird, wobei vorzugsweise am Beginn einer Temperaturmessung eine hohe und am Ende eine niedrige Frequenz verwendet wird, und dass die bei jedem Frequenzschritt bzw. bei vorgewählten Frequenzen ermittelten elektrischen Messwerte einem Rechner zugeführt werden, der abhängig vom Werkstoff des Körpers die Temperaturverteilung über den im Bereich des Senders liegenden Querschnitt des Körpers berechnet.
Die in ein Material eindringenden elektromagnetischen Wellen geben Aufschluss über die Temperatur in dessen Innerem.
Bei elektrisch leitfähigen Körpern ist die Ausbildung der elektromagnetischen Wellen vom spezifischen elektrischen Widerstand und von der magnetischen Permeabilität abhängig. Bei ferromagnetischen Körpern hängt die magnetische Permeabilität sowohl von der Temperatur, als auch von der Leistungsdichte ab. Der spezifische elektrische Widerstand ist meistens sehr stark
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temperaturabhängig, wobei gilt, je höher die Temperatur, desto höher der spezifische elektrische Widerstand. Weiters wird die Eindringtiefe der Welle in das Material von der Frequenz bestimmt.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren dient als Sender, sowie als Empfänger, eine Spule, die der Materialoberfläche gegenüber liegt, wodurch sich der grosse Vorteil einer berührungslosen Messung ergibt. Am Beginn eines Messzyklus wird der Spule elektrische Energie mit hoher Frequenz zugeführt, wodurch sich eine geringe Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen ergibt. Sodann werden Frequenz, Strom, Spannung und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, welche durch Messung der Wirkleistung ermittelt wird, gemessen.
Die Messung der Phasenverschiebung ist aber nur dann erforderlich, wenn der Scheinwiderstand in der Spule nicht ausreichend Aufschluss über den Zustand des Körpers gibt. Die dem Rechner zugeführten obigen Messdaten werden von diesem in einem Programm verarbeitet, welches den spezifischen Widerstand und damit die Temperatur der Randschichte errechnet.
Durch Herabsetzen der Frequenz werden tiefere Schichten von den elektromagnetischen Wellen durchdrungen und deren Zustand bzw. die dabei erfassten Messdaten bestimmen die Temperatur.
Das Programm, welches den spezifischen Widerstand und die Temperatur berechnet, berücksichtigt bei jedem Berechnungsvorgang den Zustand bzw. die Temperatur der bereits erfassten randwärts liegenden Schichten. Der neue errechnete spezifische Widerstandswert und Temperaturwert ist immer ein Mass für den Zustand der elektromagnetischen Welle in der tiefsten von ihr noch erreichten Schicht. Es ist somit möglich, die Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt des Körpers zu erfassen.
Wenn die Frequenz tief genug ist, so tritt eine Reflexion von der nächsten Begrenzungsfläche ein, wodurch das Messresultat noch deutlicher wird. Hiebei ist es aber erforderlich die Abmessungen des Körpers genau zu kennen und beim Berechnungsvorgang zu berücksichtigen.
Der Zustand der Spule bzw. Messschleife und der Abstand von der Körperoberfläche muss natürlich bekannt sein. Eine Variierbarkeit dieses Abstandes sowie Schwenk- und Taumelbewegungen der Spule sind vorteilhaft. Der Zustand der Spule wird am besten immer wieder durch Messung mit Gleichstrom nachgeprüft. Die Spule bzw. Schleife muss natürlich auch die Wärmeeinwirkungen des Körpers bzw. Werkstückes aushalten, weshalb sie am besten aus hochhitzebeständigen Metallen oder Legierungen hergestellt ist.
Die Temperaturen je Querschnitt könnten auch graphisch auf einem Bildschirm dargestellt oder über einen Plotter usw. ausgedruckt werden. Dadurch ist eine rasche Aussage des Temperaturverlaufes über den kompletten Querschnitt des Körpers möglich.
Die Energiezufuhr für die Spule, die nur bei der Messung erfolgt, wird so gewählt, dass eine genaue Messung möglich ist, aber der Temperaturzustand des Materials bzw. Werkstückes nicht wesentlich verändert wird. Der äussersten Randschichte wird dabei die meiste Energie zugeführt. Wird die Energiezufuhr in den Körper im mW-Bereich gewählt, so kann man Erwärmungen von weniger als 10 K/h erreichen. Der Gesamtenergieaufwand bleibt dann im Bereich von wenigen Watt.
Die Frequenz der elektromagnetischen Welle muss für die üblichen Metalle zur Messung der Randschicht etwa 1 MHz betragen, danach muss man bei Materialdicken von etwa 100 mm bis 50 Hz heruntergehen. Dabei ist die Gesetzmässigkeit so, dass doppelte Materialstärke theoretisch 1/4 der Frequenz erfordert.
Zu Kontrollzwecken kann auch die Temperatur an der Oberfläche mit einer bekannten Messmethode, z. B. einem Thermoelement oder einem Strahlungspyrometer, bestimmt werden.
Weiters kann als Sender an Stelle einer Spule auch ein Kondensator verwendet werden.
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The invention relates to a method for measuring the temperature in the interior of an electrically conductive body, in particular a metal block, the body being flowed through by electromagnetic waves and generated by a transmitter fed with alternating current, preferably a coil, and electrical measurements such as the current intensity Voltage, the active power or the phase shift between current and voltage can be determined in the transmitter. It is often necessary to measure the temperature inside bodies, this is particularly important when producing steel, as temperature differences in the interior of a high-alloy heated metal block can result in changes in structure. A temperature measurement in a specific cross section of a body, preferably a metal block, is possible by cutting.
Such a temperature measurement is then carried out either without contact with a radiation pyrometer or by contact with a thermocouple. The disadvantage here is that a temperature measurement inside a body, for. B. a heated workpiece, can only be done by destroying it.
A device for measuring the temperatures of surface layers of electrically conductive bodies is described in AT-PS No. 139071. This consists of an iron body, which is provided with a winding and is at a distance from the body, the temperature of which is to be measured. The winding is traversed by alternating current, which generates an alternating field that penetrates more or less deeply into the interior of the conductive body. The frequency of the current is chosen so that the field only penetrates the surface layer whose temperature is to be measured.
If the temperature in the body changes, so does the electrical resistance and accordingly the strength of the eddy current generated by the alternating field of the winding in the surface layer. The result is a change in the impedance of the winding, which is therefore a measure of the temperature in the surface edge layer of the body.
Furthermore, a contactless temperature measuring device based on the eddy current principle is shown in the drawings of GB-PS No. 1, 443, 407. It has an excitation coil and two measuring coils arranged concentrically to it. The phase shift of the current in the excitation coil to that in the measuring coils is decisive for the temperature in the surface layer of an electrically conductive object.
DE-OS 2801166 also describes a method for determining the temperature profile of the surface of a rotating body by means of eddy currents, the measurement likewise being carried out without contact using a coil. The temperature profile is taken in the cold and warm state of the body and the difference is the relative temperature distribution on the surface of the body. The recording is done either with a recorder or an oscillograph.
With all devices or methods from the last three publications, however, only the average temperature of the surface layer is measured.
The object of the invention is to provide a method with which it is possible to record the temperature image over the cross section of an electrically conductive body without destruction.
The object is achieved by the method according to the invention, which is characterized in that the frequency of the electromagnetic waves is changed step by step or continuously, a high frequency preferably being used at the start of a temperature measurement and a low frequency at the end, and that the frequency being used for each frequency step or electrical measured values determined at preselected frequencies are fed to a computer which, depending on the material of the body, calculates the temperature distribution over the cross section of the body lying in the region of the transmitter.
The electromagnetic waves penetrating a material provide information about the temperature inside it.
In the case of electrically conductive bodies, the formation of the electromagnetic waves depends on the specific electrical resistance and the magnetic permeability. In the case of ferromagnetic bodies, the magnetic permeability depends both on the temperature and on the power density. The specific electrical resistance is usually very strong
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temperature-dependent, the higher the temperature, the higher the specific electrical resistance. Furthermore, the depth of penetration of the wave into the material is determined by the frequency.
In the method according to the invention, a coil, which lies opposite the material surface, serves as the transmitter and as the receiver, which results in the great advantage of a contactless measurement. At the beginning of a measuring cycle, electrical energy is supplied to the coil at a high frequency, which results in a low penetration depth of the electromagnetic waves. Then frequency, current, voltage and the phase shift between current and voltage, which is determined by measuring the active power, are measured.
The measurement of the phase shift is only necessary if the impedance in the coil does not provide sufficient information about the state of the body. The above measured data supplied to the computer are processed by the latter in a program which calculates the specific resistance and thus the temperature of the boundary layer.
By lowering the frequency, deeper layers are penetrated by the electromagnetic waves and their condition or the measurement data recorded thereby determine the temperature.
The program, which calculates the specific resistance and the temperature, takes into account the condition or the temperature of the layers that have already been detected on the edge with each calculation process. The new calculated specific resistance value and temperature value is always a measure of the state of the electromagnetic wave in the deepest layer it still reaches. It is thus possible to record the temperature distribution over the entire cross section of the body.
If the frequency is low enough, a reflection from the next boundary surface occurs, which makes the measurement result even clearer. However, it is necessary to know the dimensions of the body exactly and to take them into account in the calculation process.
The condition of the coil or measuring loop and the distance from the body surface must of course be known. A variability of this distance as well as pivoting and wobbling movements of the coil are advantageous. The condition of the coil is best checked again and again by measuring with direct current. Of course, the coil or loop must also withstand the thermal effects of the body or workpiece, which is why it is best made of highly heat-resistant metals or alloys.
The temperatures per cross section could also be displayed graphically on a screen or printed out on a plotter etc. This enables a quick statement of the temperature profile across the entire cross-section of the body.
The energy supply for the coil, which occurs only during the measurement, is selected so that an accurate measurement is possible, but the temperature state of the material or workpiece is not changed significantly. Most of the energy is supplied to the outermost boundary layer. If the energy supply in the body is selected in the mW range, heating of less than 10 K / h can be achieved. The total energy expenditure then remains in the range of a few watts.
The frequency of the electromagnetic wave must be about 1 MHz for the usual metals for measuring the surface layer, after that you have to go down with material thicknesses of about 100 mm to 50 Hz. The law is such that twice the material thickness theoretically requires 1/4 of the frequency.
For control purposes, the temperature at the surface can also be measured using a known measuring method, e.g. B. a thermocouple or a radiation pyrometer can be determined.
A capacitor can also be used as the transmitter instead of a coil.