DD291422A5

DD291422A5 - ARRANGEMENT FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE KOERPERS

Info

Publication number: DD291422A5
Application number: DD33666689A
Authority: DD
Inventors: Michael Krampitz
Original assignee: Technische Universitaet "Otto Von Guericke",De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Koerper, bei denen die Temperatur innerhalb definierten Materialzonen erfaszt werden soll. Diese Einrichtung kann besonders vorteilhaft zur Temperaturmessung an Walzgut, Schmelzen, Guszteilen u. ae. sowie an Werkstuecken, die einer elektrothermischen Behandlung unterworfen sind, angewendet werden. Die Einrichtung weist eine Induktionserregerspule, eine Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz, eine Impedanzmeszeinheit, eine Werkstoffdatenbank sowie eine Auswerteeinheit auf, wobei die Induktionserregerspule magnetisch mit dem elektrisch leitenden Koerper gekoppelt und an die Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz angeschlossen ist, waehrend die Impedanzmeszeinheit eingangsseitig mit der Induktionserregerspule und ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden ist, an die auch der Ausgang der Werkstoffdatenbank angeschlossen ist. Vorteile der Erfindung: Es ist moeglich, auf einfache Weise innerhalb definierter Materialzonen elektrisch leitender Werkstoffe Temperaturmessungen im Hoch- und Niedertemperaturbereich durchzufuehren.{Temperatur; Koerper, elektrisch leitend; Materialzone; Skin-Effekt; Schmelze; Walzgut; Induktionserregerspule; Temperaturmessung}The invention relates to an arrangement for measuring the temperature of electrically conductive bodies, in which the temperature is to be erfaszt within defined material zones. This device can be particularly advantageous for temperature measurement of rolling stock, melts, Guszteilen u. ae. and on workpieces subjected to electrothermal treatment. The device comprises an induction excitation coil, an AC voltage source with adjustable frequency, an impedance measuring unit, a material database and an evaluation unit, wherein the induction excitation coil is magnetically coupled to the electrically conductive body and connected to the AC voltage source with adjustable frequency, while the impedance measuring unit on the input side with the induction excitation coil and the output side is connected to the evaluation unit, to which the output of the material database is also connected. Advantages of the invention: It is possible to carry out temperature measurements in the high and low temperature range in a simple manner within defined material zones of electrically conductive materials. Body, electrically conductive; Material zone; Skin effect; Melt; rolling; Induction exciter coil; Temperature measurement}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, bei denen die Temperatur innerhalb definierter Materialzonen erfaßt werden soll. Diese Einrichtung kann besonders vorteilhaft zur Temperaturmessung an Walzgut, Schmelzen, Gußteilen u.a. sowie an Werkstücken, die einer elektrothermischen Behandlung unterworfen sind, angewendet werden.The invention relates to an arrangement for measuring the temperature of electrically conductive body, in which the temperature is to be detected within defined material zones. This device can be particularly advantageous for temperature measurement of rolling stock, melts, castings u.a. and on workpieces subjected to electrothermal treatment.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Sowohl in der Industrie als auch in Forschungslaboratorien werden vielfältige Metoden zur Temperaturmessung an elektrisch leitenden Materialien angewendet. Diese unterteilen sich in berührungsgebundene und berührungslose Meßverfahren. Zu letzteren gehören z.B. die Strahlungspyrometrie und die Infrarotthermographie.Both in industry and in research laboratories, many different methods are used to measure the temperature of electrically conductive materials. These are subdivided into contact-based and non-contact measuring methods. The latter include e.g. radiation pyrometry and infrared thermography.

Der industrielle Fertigungsprozeß verlangt häufig die berührungslose Temperaturmessung. Üblicherweise wird dabei von der Erfassung der Oberflächentemperatur ausgegangen, die zwar z. B. durch Materialvemnreinigungen fehlerhaft sein kann, an sich jedoch problemlos ist. Werden aber Aussagen zur Temperatur definierter tieferliegender Materialschichten gefordert, ist man gewöhnlich auf Schätzungen oder Näherungen mit großen Ungenauigkeiten angewiesen, so daß der Einsatzbereich solcher Lösungen begrenzt ist.The industrial manufacturing process often requires non-contact temperature measurement. Usually, it is assumed that the detection of the surface temperature, although z. B. may be faulty by Materialvemnreinigungen, but in itself is easy. But if statements are required to the temperature of defined underlying layers of material, one usually relies on estimates or approximations with great inaccuracies, so that the scope of such solutions is limited.

Auch den in größerer Anzahl in neuerer Zeit zum Schutzrechtserwerb (z. B. DD-PS 230440 u.a.) gebrachten Lösungen zur optoelektronischen Temperaturmessung haftet der Nachteil an, daß mit ihnen keineTemperaturerfassung innerhalb definierter Materialtiefen möglich ist.The disadvantage of the solutions for optoelectronic temperature measurement which have recently been made in greater numbers for the purchase of intellectual property rights (eg DD-PS 230440, etc.) is the disadvantage that temperature detection within defined material depths is not possible with them.

Weiterhin sind in der Patentliteratur Temperaturmeßverfahren angegeben, die auf der Änderung magnetischer Eigenschaften der Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur beruhen (s. z. B. DE-OSen 3133063 und 3241009). Darüber hinausgehend ist in der DE-OS 2300167 ein Temperaturmeßverfahren vorgeschlagen worden, bei dem aus dem Vergleich zweier identischer Magnetisierungsanordnungen - eine davon mit dem Meßgut versehen - der Übergang in die magnetische Sättigung des Meßgutes in seiner Temperaturabhängigkeit erfaßt wird. Nachteilig bei dieser Methode sind einerseits die Beschränkung des Anwendungsgebietes auf ferromagnetische Körper und damit gleichzeitig des Meßbereiches auf Temperaturen unterhalb der Curietemperatur und andererseits der notwendige erhebliche technische Aufwand zur Magnetisierung der beiden Vergleichsanordnungen.Furthermore, the patent literature specifies temperature measuring methods which are based on the change in magnetic properties of the materials as a function of the temperature (see, for example, DE-OSs 3133063 and 3241009). In addition, in DE-OS 2300167 a Temperaturmeßverfahren has been proposed in which the transition from the comparison of two identical magnetization arrangements - one of which is provided with the material to be measured - in the magnetic saturation of the measured material in its temperature dependence is detected. Disadvantages of this method are, on the one hand, the limitation of the field of application to ferromagnetic bodies and, at the same time, the measuring range to temperatures below the Curie temperature and, on the other hand, the necessary considerable technical outlay for the magnetization of the two comparison arrangements.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper zu schaffen, die mit vertretbarem technischem Aufwand innerhalb eines erweiterten Anwendungsbereiches realisierbar ist.The aim of the invention is to provide an arrangement for measuring the temperature of electrically conductive body, which is feasible with reasonable technical effort within an extended range of application.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung eier Temperatur elektrisch leitender Körper zu entwickeln, mit der innerhalb definierter Materialbereiche elektrisch leitender Körper die Temperatur erfaßt werden kann. Die Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper soll dabei aus wenigen einfachen Baugruppen bestehen.The object of the invention is to develop an arrangement for measuring egg temperature electrically conductive body, with which the temperature can be detected within defined material areas electrically conductive body. The arrangement for measuring the temperature of electrically conductive body should consist of a few simple modules.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, die bekanntermaßen eine magnetisch mit den elektrisch leitenden Körpern verkoppelte Induktionserregerspule aufweist, weiterhin eine Wechselspannunysquelle mit einstellbarer Frequenz, eine Einrichtung zur Erfassung der Impedanz, eine Werkstoffdatenbank sowie eine Auswerteeinheit besitzt.According to the invention the object is achieved in that the arrangement for measuring the temperature of electrically conductive body, which is known to have a magnetically coupled to the electrically conductive bodies induction excitation coil, further a Wechselspannunysquelle adjustable frequency, means for detecting the impedance, a material database and an evaluation has.

Dabei ist die Induktionserregerspule magnetisch mit dem elektrisch leitenden Körper, dessen Temperatur zu erfassen ist, gekoppelt und an die Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz angeschlossen.In this case, the induction coil is magnetically coupled to the electrically conductive body whose temperature is to be detected, and connected to the AC voltage source with adjustable frequency.

Außerdem ist die Impedanzmeßeinheit eingangsseitig mit der Induktionserregerspule und ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden, an die auch der Ausgang der Werkstoffdatenbank angeschlossen ist.In addition, the impedance measuring unit is connected on the input side to the induction exciter coil and on the output side to the evaluation unit, to which the output of the material database is also connected.

Schließlich besitzt die Auswerteeinheit weitere Eingänge zur Erfassung der Frequenz der Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz, geometrischer Parameter der Induktionserrogerspule sowie des elektrisch leitenden Körpers.Finally, the evaluation unit has further inputs for detecting the frequency of the AC voltage source with adjustable frequency, geometric parameters of the induction coil and the electro-conductive body.

Im folgenden sollen die wesentlichen Zusammenhänge der Wirkungsweise der Erfindung erläutert werden:In the following, the essential relationships of the operation of the invention will be explained:

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ausnutzung des Skin-Effektes in einer nach dem Induktionsprinzip funktionierenden Temperaurmeßeinrichtung so zu realisieren, daß die Temperaturen tiefenmäßig definierter Materialbereiche weitgehend exakt ermittelt werden können.The invention is based on the idea to realize the exploitation of the skin effect in a function according to the induction principle Temperaurmeßeinrichtung so that the temperatures of depth-defined material areas can be determined largely accurately.

Ausgangspunkt ist die bekannte Beziehung für die elektromagnetische Eindringtiefe s:The starting point is the known relationship for the electromagnetic penetration depth s:

PO)PO)

π · μθ · pr(&) · fπ · μθ · pr (&) · f

mit ρ(θ) temperaturabhängigerspezifischerWiderstand π 3,14...with ρ (θ) temperature-dependent resistors π 3.14 ...

μθ absolute Permeabilität μΓ(θ) temperaturabhängige relative Permeabilität f Frequenzμθ absolute permeability μΓ (θ) temperature-dependent relative permeability f frequency

Da nach dieser Beziehung sich einerseits die Eindringtiefe s als temperaturabhängige Eindringtiefe s(d) darstellt und andererseits die Eindringtiefe eine bestimmende Größe für die elektrische Impedanz ist, ergibt sich, daß diese in ihrer komplexen Größe eine Maßzahl für die Temperatur im Bereich der Eindringtiefe liefert.Since, according to this relationship, on the one hand, the penetration depth s as a temperature-dependent penetration depth s (d) and on the other hand, the penetration is a determining factor for the electrical impedance, it follows that this provides a measure of the temperature in the range of penetration depth in its complex size.

Im Zusammenhang mit den in der Werkstoffdatenbank gespeicheiten Daten, den geometrischen Parametern der Anordnung Erregerspule- elektrisch leitender Körper als Meßgut, der gewählten Frequenz der Wechselspannungsquelle kann also die erfindungsgemäße Anordnung durch Impedanzmessung der o.g. induktiven Koppelanordnung zur Temperaturmessung in definierten Tiefenzonen genutzt werden.In connection with the data stored in the material database, the geometrical parameters of the arrangement excitation coil-electrically conductive body as measured material, the chosen frequency of the AC voltage source can therefore be the arrangement according to the invention by impedance measurement of o.g. inductive coupling arrangement for temperature measurement in defined depth zones can be used.

Die Verknüpfung der genannten Daten zu einer Temperaturangabe geschieht zweckmäßigerweise in einer Auswerteeinheit, die einen Rechner enthält.The linking of said data to a temperature specification is expediently carried out in an evaluation unit which contains a computer.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in Folgendem:The advantages of the invention are as follows:

Es ist möglich, innerhalb definierter Materialzonen elektrisch leitender Werkstoffe Temperaturmessungen durchzuführen. Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt dabei sowohl den Nieder- als auch den Hochtemperaturbereich.It is possible to carry out temperature measurements within defined material zones of electrically conductive materials. The field of application of the invention includes both the low and the high temperature range.

Die Realisierung der Erfindung ist mit wenigen relativ einfachen elektrischen und elektronischen Baugruppen möglich-Montage und Fertigung empfindlicher und komplizierter Systeme, wie z. B. bei der optischen Temperaturerfassung, entfalten. Die Erfindung ist im robust und unempfindlich gegenüber Betriebseinflüssen wie Staub und Schmutz u. ä.The realization of the invention is possible with a few relatively simple electrical and electronic assemblies assembly and production of sensitive and complicated systems, such. B. in the optical temperature detection unfold. The invention is robust and insensitive to operational influences such as dust and dirt u. ä.

AusführungsbeisplelAusführungsbeisplel

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen inThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show in FIG

Fig. 1: ein Blockschema der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, Fig. 2: ein Beispiel für Dateninhalte der Werkstoffdatenbank und1 shows a block diagram of the arrangement according to the invention for measuring the temperature of electrically conductive bodies, FIG. 2 shows an example of data contents of the material database and FIG

Fig.3: ein& Prinzipskizze der induktiven Koppelanordnung Erregerspule- Meßgut.3 shows a & schematic diagram of the inductive coupling arrangement excitation coil Meßgut.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper folgende Elemente auf:According to FIG. 1, the arrangement according to the invention for measuring the temperature of electrically conductive bodies has the following elements:

Shunt 1, Widerstand 2. !nduktionserregerspul6 3, Kondensator 4, Induktivität 5, Widerstand 6, Prozeßmodell 7, Mikrorechner 8, Werkstoffdatenbank 9, Meßanordnung 10.Shunt 1, resistor 2! Nduktionserregerspul6 3, capacitor 4, inductance 5, resistor 6, process model 7, microcomputer 8, material database 9, measuring device 10.

Die Meßanordnung 10, gebildet durch die Induktionserregerspule 3 und das mit ihr induktiv gekoppelte Meßgut, wird aus einer Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz derart gespeist, daß an die Induktionserregerspule 3 eine Wechselspannung u 1 mit einer Frequenz f 1 angelegt wird. Die Induktionserregerspule 3 mit ihrem ohmschen Widerstand 2 induziert im Meßgut, repräsentiert durch seine Induktivität 5 und seinen ohmschen Widerstand 6, Wirbelströme, die der Beziehung der Eindringtiefe s, wie sie vorstehend erläutert wurde, gehorchen.The measuring arrangement 10, formed by the induction excitation coil 3 and the inductively coupled with it, is fed from an alternating voltage source with adjustable frequency such that the induction excitation coil 3, an alternating voltage u 1 is applied at a frequency f 1. The induction excitation coil 3 with its ohmic resistance 2 induces eddy currents in the material to be measured, represented by its inductance 5 and its ohmic resistance 6, which obey the relationship of the penetration depth s, as explained above.

Über den Shunt 1 wird der Wert des Meßstromes Ix erfaßt, während eine Meßspannung Ux über der Induktionserregerspule 3 und dem Kondensator 4, der den induktiven Einfluß des Koppelspaltes zwischen Induktionserregerspule 3 und Induktivität 5 des Meßgutes kompensiert, ermittelt wird.The value of the measuring current Ix is detected via the shunt 1, while a measuring voltage Ux across the induction excitation coil 3 and the capacitor 4, which compensates the inductive influence of the coupling gap between the induction excitation coil 3 and the inductance 5 of the measured material, is determined.

Als Auswerteeinheit dient der Mikrorechner 8, der die Impedanz der Meßanordnung 10 aus der Meßspannung Ux und dem Meßstrom ix ermittelt und die Tomperatur innerhalb einer vorgegebenen Materialtiefe des Meßgutes errechnet. Dabei ist in die Auswerteeinheit ein Prozeßmodell 7 einbezogen, das die Werte der Frequenz f 1, des Fensterquerschnittes A1 der Induktionserregerspule 3, deren Oberflächenradius r und den Que schnitt Am des Meßgutes enthält.The evaluation unit used is the microcomputer 8, which determines the impedance of the measuring arrangement 10 from the measuring voltage Ux and the measuring current ix and calculates the temperature within a predetermined material depth of the measured material. In this case, a process model 7 is included in the evaluation, which contains the values of the frequency f 1, the window cross section A1 of the induction excitation coil 3, the surface radius r and the Que cut Am of the measured material.

Werkstoffkennwerte zur Kennzeichnung des Meßgutes enthält die Werkstoffdatenbank 9, auf die der Mikrorechner 8 ebenfalls Zugriff hat.Material characteristics for identifying the material to be measured contains the material database 9, to which the microcomputer 8 also has access.

Fig. 2 zeigt für das Beispiel eines Stahls mit 1 % Kohlenstoff den Dateninhalt der Werkstoffdatenbank 9. Die Iterationsvariable ist die Temperatur θ. Bei Übereinstimmung des durch Iteration gefundenen Impedanzwertes rnit der gemessenen Impedanz des Meßgutes ist der iterierte Temperaturwert θ identisch mit der durchschnittlichen Meßguttemperatur in dem durch die Wahl der Frequenz f1 festgelegten Eindringtiefenbereich.Fig. 2 shows the data content of the material database 9 for the example of a steel with 1% carbon. The iteration variable is the temperature θ. If the impedance value found by iteration matches the measured impedance of the material to be measured, the iterated temperature value θ is identical to the average product temperature in the penetration depth range defined by the choice of the frequency f1.

In der Prinzipskizze gem. Fig.3 wird gezeigt, wie an einem bewegten Strang 11 eines elektrisch leitenden Materials, z. B. bei der Zuführung in ein Walzgerüst, die mittlere Temperatur innerhalb der durch die Eindringtiefe s gekennzeichneten Materialzone erfaßt werden kann. Der Strang 11 des Walzgutes durchläuft die Induktionserregerspule 3 mit dem freien Fensterquerschnitt A1.In the outline sketch acc. 3 is shown as on a moving strand 11 of an electrically conductive material, for. B. when fed into a rolling stand, the average temperature can be detected within the material zone characterized by the penetration depth s. The strand 11 of the rolling stock passes through the induction excitation coil 3 with the free window cross-section A1.

Claims

Arrangement for measuring the temperature of electrically conductive bodies, comprising an induction excitation coil magnetically coupled to the electrically conductive bodies, characterized in that an adjustable voltage source (f 1), an impedance measuring unit, a material database (9) and an evaluation unit are also provided the aforementioned induction excitation coil (3) is connected to the alternating voltage source with adjustable frequency (f 1), while the impedance measuring unit is connected on the input side to the induction excitation coil (3) and on the output side to the evaluation unit to which the output of the material database (9) is also connected and the A iswerteeinheit further inputs for detecting the frequency of the AC voltage source with adjustable frequency and geometric parameters of the induction excitation coil (3) and the electrically conductive body has.

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