CH682438A5

CH682438A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv bzw. transformatorisch beheizten Maschinenteils.

Info

Publication number: CH682438A5
Application number: CH2220/91A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang Erdmann
Original assignee: Ima Inst Fuer Mikrorechner Anw
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1993-09-15
Also published as: FR2665535B1; ITMI912116A1; ITMI912116A0; FR2665535A1; IT1250721B; DE4024432C2; DE4024432A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt.

Induktiv beheizte Maschinenteile werden im Maschinenbau vielfältig eingesetzt, beispielsweise in Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung, bei Dichtungen in Maschinen und Anlagen, zur Beheizung sich bewegender, insbesondere drehender Maschinenteile usw. Als induktive Beheizung bezeichnet man dabei auch Beheizungen, die auf dem Transformatorprinzip, also nicht auf der Erzeugung von Wirbelströmen, beruhen. In jedem Fall erfolgt die Beheizung des Maschinenteils selbst oder eines im oder am Maschinenteil angeordneten Heizelementes aus entsprechendem Material, beispielsweise eines als kurzgeschlossene Sekundärwicklung mit einer Windung wirkenden Kurzschlussringes mittels des von einer Primärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfeldes. Dabei kann sich das Maschinenteil bzw. das Maschinenteil mit dem Heizelement ohne weiteres gegenüber der Primärwicklung bewegen, beispielsweise wie bei Rädern oder Walzen gegenüber der Primärwicklung mit mehr oder weniger hoher Geschwindigkeit drehen.

Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Ermittlung der Temperatur mit Hilfe von Temperatursensoren, die am Maschinenteil an entsprechender Stelle eingebaut werden. Das wirft manchmal Schwierigkeiten auf, beispielsweise bei Werkzeugen in der Kunststoffverarbeitung, die zur Reinigung leicht auswechselbar sein müssen, oder bei sich bewegenden, insbesondere rotierenden Maschinenteilen. Im einen Fall müssen spezielle, leicht lösbare Anschlusselemente vorhanden und entsprechend in das Werkzeug integriert werden, im anderen Fall müssen Messwertübertrager vorgesehen und eingebaut werden, um die Temperaturmesssignale vom sich mit dem Maschinenteil bewegenden Temperatursensor zur stationären Mess- und Regeleinrichtung zu übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der in Rede stehenden Art anzugeben, das ohne die zuvor erläuterten Schwierigkeiten eine Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils erlaubt.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zunächst zur Eichung über den betriebsmässig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils primärseitig Strom und Spannung und am Maschinenteil die entsprechenden tatsächlichen Temperaturen gemessen und rechnerisch zu Eichparametern verarbeitet und gespeichert werden und dass dann betriebsmässig nur noch primärseitig Strom und Spannung gemessen werden und daraus rechnerisch die Temperatur des Maschinenteils ermittelt wird. Erfindungsgemäss wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass der se-kundärseitig fliessende Strom, der letztlich zur Aufheizung des Maschinenteils bzw. des Heizelementes führt, vom ohmschen Widerstand des Maschinenteils bzw. des Heizelements, gemeinhin als sekundärer Kupferwiderstand bezeichnet, abhängt. Dieser steigt mit steigender Temperatur an, so dass letztlich aus Strom und Spannung auf der Primärseite rechnerisch auf die Temperatur des Maschinenelementes bzw. des Heizelementes am Maschinenelement geschlossen werden kann. Auch wenn die Messgenauigkeit wegen verschiedener Störeinfiüsse hier nicht optimal ist, reicht sie für eine Vielzahl von Anwendungsfällen doch ohne weiteres aus. Wegen der Störeinflüsse und um Geometrie und Widerstand des zu erwärmenden Maschinenteils zu berücksichtigen, müssen anfangs allerdings Eichmessungen vorgenommen werden wie sie zuvor angegeben worden sind. Im Betrieb kann man dann nur noch primärseitig und damit ortsfest Strom und Spannung messen und daraus die Temperatur des Maschinenteils bzw. des Heizelementes am Maschinenteil errechnen. Auf die bislang erforderlichen Temperatursensoren am Maschinenteil kann man also verzichten.

Als primärseitigen Strom kann man den äusseren Heizstrom messen, insbesondere kann man das mit Hilfe eines Messstromwandlers tun. Demgegenüber ist die äussere Heizspannung für die Messung nicht optimal geeignet, da der primärseitige ohmsche Widerstand und der Spannungsabfall über die pri-märseitige Streuinduktivität die Messgenauigkeit negativ beeinflussen. Es empfiehlt sich folglich nach bevorzugter Lehre, als primärseitige Spannung die induzierte Spannung, also die Spannung an der Hauptinduktivität, zu erfassen. Messtechnisch lässt sich das dadurch realisieren, dass die induzierte Spannung mittels einer Hilfswicklung auf dem Kern erfasst wird, die vom Heizstromkreis, also von der Primärwicklung, völlig getrennt ist.

Grundsätzlich kann man aus der zuvor erläuterten anfänglichen Eichung eine Eichkurve errechnen, jedenfalls wenn man einen Computer einsetzt. Die Messgenauigkeit wird aber weiter verbessert, wenn man das erfindungsgemässe Verfahren dadurch weiterentwickelt, dass zur Eichung vorab einerseits der ohmsche Widerstand (R2) des beheizten Maschinenteils bzw. Heizeleménts in Abhängigkeit von dessen Temperatur (T) gemessen und daraus eine Funktion T = fr (R2) hier errechnet und abgespeichert wird und andererseits der Strom (II) durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall (Ul)

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an der Hauptinduktivität gemessen und daraus eine Funktion II = fl (Ul) errechnet und abgespeichert wird und dass betriebsmässig die Temperatur (T) nach der Formel berechnet wird. Die zuvorgenannte Gleichung ist exakt, sie ist aber rechnerisch schwer auszuwerten und insbesondere .nichtlinear. Folglich empfiehlt es sich, eine Näherungsformel einzuführen und danach die Auswertung vorzunehmen. Es hat sich gezeigt, dass man zu in der Praxis hinreichend genauen Ergebnissen kommt, wenn die Temperatur nach einer Näherungsformel berechnet wird, wobei a T ein aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicherter, auch negativer Tem-peratur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperaturwert T ist. Die anfängliche, weiter oben erläuterte Eichmessung findet also hier nur noch in dem Temperatur-Korrekturwert ihren Niederschlag.

Eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art ist zunächst gekennzeichnet durch eine Spannungs-Messeinrichtung mit einem Spannungs-Messsensor, eine Strom-Messeinrichtung mit einem Stromsensor und eine Rechen- und Auswerteschaltung. Weiter bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der nachgeordneten Patentansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Grundprinzip einer induktiven, hier genau gesagt transformatorischen Beheizung eines Maschinenteils,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild zu der Anordnung aus Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Lehre der Erfindung.

In verfahrensmässiger Hinsicht ist die Lehre weiter oben schon im einzelnen erläutert worden, auf diese Ausführungen darf verwiesen werden.

Fig. 1 zeigt zunächst als Ring angedeutet das induktiv zu beheizende Maschinenteil 1, das wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung mit einer Windung wirkt. Es wird mittels des von einer Primärwicklung 2 auf einem hier geschlossenen Kern 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes beheizt. Der Kern 3 könnte auch offen sein. Das Maschinenteil 1 ist hier ruhend dargestellt, es könnte sich gegenüber der Primärwicklung 2 auch bewegen, insbesondere drehen. Auch der Kern 3 könnte geteilt sein, wobei sich ein Teil des Kerns 3 mit dem Maschinenteil 1 mit dreht.

Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild mit der primärseitig anstehenden Heizspannung Ua, dem äusseren Heizstrom Ia, dem primärseitigen ohmschen Widerstand Ri, der primärseitigen Streuinduktivität Li, der Hauptinduktivität L, der sekundärseitigen Streuinduktivität L2, dem sekundärseitigen ohmschen Widerstand R2, also dem ohmschen Widerstand des Maschinenteils 1, und dem sekundärseitig, durch den ohmschen Widerstand R2 fliessenden Strom I2. Dieses Ersatzschaltbild macht sofort deutlich warum es messtechnisch zweckmässiger ist, die induzierte Spannung Ul, also die Spannung an der Hauptinduktivität L zu messen als die äussere Heizspannung Ua- Messtechnisch kann man das so realisieren wie in Fig. 1 dargestellt, also durch eine Hilfswicklung 4 auf dem Kern 3, die von der Primärwicklung 2 getrennt ist.

Folgende Gleichungen lassen sich nun anhand des Ersatzschaltbildes herleiten:

Der ohmsche Widerstand R2 im Sekundärkreis ist von der Temperatur T des Maschinenteils 1 abhängig. Daraus resultiert, dass man im Umkehrschluss aus der Grösse des ohmschen Widerstands R2 auf die Temperatur T schliessen kann. Folglich gilt T = fr (R2).

Für den Widerstand R2 gilt in zutreffender Näherung R2 = Ul/12 = Ul/(Ia - II). Das resultiert aus der Kirchhoffschen Knotenregel.

Nun gilt aber auch, dass II abhängig von der Spannung an der Hauptinduktivität, also von Ul, es gilt da also II = fL (Ul).

T = f.

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Wenn man also den ohmschen Widerstand des beheizten Maschinenteils bzw. Heizelements in Abhängigkeit von dessen tatsächlicher Temperatur misst, so kann man die erstgenannte Funktion errechnen und abspeichern, während man die zweitgenannte Funktion errechnen und abspeichern kann, wenn man den Strom durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an der Hauptinduktivität misst und abspeichert.

Die Temperatur lässt sich dann letztlich nach der exakten Formel berechnen. Eine vorteilhafte, hinreichend genaue und rechentechnisch optimale Näherung stellt folgende Formel dar:

Hierbei stellt dann a T einen aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicherten Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperaturwert T dar, der auch negativ sein kann.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils 1. Man erkennt zunächst wieder die Primärwicklung 2, den Kern 3 und die Hilfswicklung 4, die zuvor erläutert worden sind. Ferner sind eingezeichnet eine Wechselstromquelle 5, ein als Steuerelement für die Steuerung des Heizstroms Ia durch die Primärwicklung 2 dienender Triac 6 und ein entsprechender Steueranschluss 7.

Die eigentliche erfindungsgemässe Vorrichtung zeigt nun zunächst eine Spannungs-Messeinrichtung 8 mit einem Spannungs-Messsensor in Form der Hilfswicklung 4, eine Strom-Messeinrichtung 9 mit einem hier als Messstromwandler ausgeführten Stromsensor 10 und eine Rechen- und Auswerteschaltung 11.

Für die Spannungs-Messeinrichtung 8 gilt, dass diese im dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Spannungs-Impulsumsetzer 12 und einen nachgeschalteten Impulszähler 13 aufweist, in entsprechender Weise gilt im hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, dass die Strom-Messeinrichtung 9 einen Strom-Impulsumsetzer 14 und einen Impulszähler 15 aufweist. Den beiden Umsetzern 12, 13 ist im übrigen noch eine Torschaltung 16 zugeordnet, die über zwei Und-Gatter die Eingänge der beiden Impulszähler 13, 15 nur synchron öffnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zweiteilige Konstruktion gewählt, sind nämlich der Spannungs-Impulsumsetzer 12, der Strom-Impulsumsetzer 14 und die Torschaltung 16 mit den Und-Gattern zu einem Transmitter 17 zusammengefasst. Alle anderen Teile sind in der Rechen- und Auswerteschaltung 11 zusammengefasst, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in besonders bevorzugter Weise ausgeführt ist, als sie nämlich eine Temperatur-Eingangsschaltung 18 zum Anschluss eines Temperatursensors 19 aufweist. Dieser Temperatursensor 19 wird für die oben erläuterten Eichmessungen benötigt, er kann also die tatsächliche Temperatur des Maschinenteils 1 mit sensorspezifischer Genauigkeit feststellen. Im übrigen ist die Rechen- und Auswerteschaltung 11 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines Microcomputers realisiert.

Der Microcomputer, der die Rechen- und Auswerteschaltung 11 bildet, hat noch weitere Bestandteile nämlich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kalibrierungsstufe 20, eine Rechnerstufe 21, einen Ausgangsregler 22 und einen Ausgangsverstärker 23. Mit dem Ausgangsverstärker 23 ist der Steueranschluss 7 des Triac 6 verbunden, so dass hier also eine komplette Regelschaltung verwirklicht ist. Das ist natürlich nur ein Ausführungsbeispiel.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zur Eichung über den betriebsmässig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils primärseitig Strom und Spannung und am Maschinenteil die entsprechenden tatsächlichen Temperaturen gemessen und rechnerisch zu Eichparametern

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verarbeitet und gespeichert werden und dass dann betriebsmässig nur noch primärseitig Strom und Spannung gemessen werden und daraus rechnerisch die Temperatur des Maschinenteils ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als primärseitiger Strom der äussere Heizstrom (Ia) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, insbesondere der äussere Heizstrom (Ia), mittels eines Messstromwandlers erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als primärseitige Spannung die induzierte Spannung (Ul), also die Spannung an der Hauptinduktivität, erfasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Spannung (Ul) mittels einer Hilfswicklung erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eichung vorab einerseits der ohmsche Widerstand (R2) des beheizten Maschinenteils bzw. Heizelements in Abhängigkeit von dessen Temperatur (T) gemessen und daraus eine Funktion T = fr (R2) hier errechnet und abgespeichert wird und andererseits der Strom (II) durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall (Ul) an der Hauptinduktivität gemessen und daraus eine Funktion II = fl (Ul) errechnet und abgespeichert wird und dass betriebsmässig die Temperatur (T) nach der Formel berechnet wird, wobei Ia der als primärseitiger Strom gemessene äussere Heizstrom ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eichung vorab einerseits der ohmsche Widerstand (R2) des beheizten Maschinenteils beziehungsweise Heizelements in Abhängigkeit von dessen Temperatur (T) gemessen und daraus eine Funktion T = fr (R2) hier errechnet und abgespeichert wird und andererseits der Strom (II) durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall (Ul) an der Hauptinduktivität gemessen und daraus eine Funktion II = fi (Ul) errechnet und abgespeichert wird und dass betriebsmässig die Temperatur (T) nach der Näherungsformel berechnet wird, wobei Ia der als primärseitiger Strom gemessene äussere Heizstrom und a T ein aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicherter, auch negativer Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperaturwert T ist.

8. Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Spannungs-Messeinrichtung (8) mit einem Spannungs-Messsensor (4), eine Strom-Messeinrichtung (9) mit einem Stromsensor (10) und eine Rechen- und Auswerteschaltung (11).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Messsensor eine Hilfswicklung (4) auf dem Kern (3) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (10) ein Messstromwandler ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-Messeinrichtung (8) einen Spannungs-Impulsumsetzer (12) und einen nachgeschalteten Impulszähler (13) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Mess-einrichtung (9) einen Strom-Impulsumsetzer (14) und einen nachgeschalteten Impulszähler (15) aufweist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungs-Impulsumsetzer (12) und dem Strom-Impulsumsetzer (14) eine Torschaltung (16) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Impulsumsetzer (12), der Strom-Impulsumsetzer (14) und die Torschaltung (16) zu einem Transmitter (17) zusammengefasst sind.

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15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Auswerteschaltung (11) eine Temperatur-Eingangsschaltung (18) zum Anschluss eines Temperatursensors (19) aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Auswerteschaltung (11) in Form eines Mikrocomputers realisiert ist.

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