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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung, eine Anlage und ein Verfahren.
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Der
Silizium-Temperatur-Sensor KTY84 der Firma Philips ist als verpolungsabhängiger Sensor bekannt,
wobei die Verpolungsabhängigkeit
auf einer Asymmetrie des Sensors beruht, die sich bemerkbar macht,
sobald die Eigenleitung im Halbleitersensor einsetzt. Nachteil ist,
dass beim Anschließen
des Sensors ein Fehlverdrahten auftreten kann. Der Vorteil dieser
Sensoren, im Gegensatz zu verpolungsunabhängigen, deren Messbereich bei
ca. 140°C
bis 150°C
endet, ist der sich bis in hohe Temperaturen erstreckende Messbereich,
insbesondere bis 300°C. Bekannte
verpolungsunabhängige
Silizium-Temperatur-Sensoren sind nicht bis zu solch hohen Temperaturen
verwendbar.
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Aus
der
DE 31 39 556 A1 ist
eine Schaltungsanordnung bekannt, die zur Messung von Temperaturen
ein Halbleiterbauelement verwendet, dessen Innenwiderstand von der
Stromrichtung und der Temperatur abhängig ist. Im verwendeten Halbleiterelement
setzt bei einer bestimmten Temperatur, die als Schwelltemperatur
bezeichnet wird, die Eigenleitung ein, wodurch die Widerstandskennline
uneindeutig bezüglich
der Polung wird. Um in diesem Bereich, oberhalb der Temperatur bei
der die Eigenleitung einsetzt, die Temperatur bestimmen zu können wird
in dieser genannten Schrift die Differenz zwischen den zu den beiden
unterschiedlichen Stromrichtungen gehörenden Widerstandswerten bestimmt.
Unterhalb der Schwelltemperatur ist mit der genannten Schaltungsanordnung
keine Erfassung der Temperatur ausführbar, da bei beiden Stromrichtungen
dieselben Werte auftreten und somit die Differenz verschwindet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturerfassung
in einem breiten Temperaturbereich zu ermöglichen, die kostengünstig und/oder
robust ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1, bei der Anlage nach
den in Anspruch 13 und bei den Verfahren nach den in Anspruch 17
und in Anspruch 18 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Anordnung sind, dass sie zur Erfassung
einer Temperatur vorgesehen ist,
wobei Mittel zum Umpolen der
an einem Sensor anliegenden Spannung vorgesehen sind,
wobei
Mittel zur Erfassung zu beiden Spannungspolaritäten zugeordneten Widerstandswerte
des Sensors vorgesehen sind,
wobei Mittel zum Auswählen des
betragsmäßig gleichen
oder größeren Wertes
als Ergebniswert vorgesehen sind, insbesondere des betragsmäßig gleichen
oder größeren Wertes.
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Von
Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiger Sensor verwendbar ist
und/oder ein Sensor, der bis zu viel höheren Temperaturen einsetzbar
ist. Beispiel hierfür
ist die Verwendung des KTY84 der Firma Philips im Gegensatz zur
Verwendung des KTY 81. Die maximal erlaubte Temperatur kann dabei
weit über
200°C bis
zu 300°C
betragen.
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Besonders
vorteilig ist bei der Erfindung ein Silizium-Temperatur-Sensor,
da dieser bei einer ersten Stromrichtung eine besonders geradlinig
verlaufende Kennlinie aufweist, kostengünstig ist und gemäß der Erfindung
verpolungssicher anschließbar ist,
obwohl er bei verschiedenen Stromrichtungen verschiedene Widerstandswerte
aufweist.
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Somit
ist die Anordnung auch robust gegen Fehler bei der Herstellung.
Denn eine Verpolung bewirkt keinen Messfehler. Der Temperaturmessbereich
ist sogar derart breit wählbar,
dass Bereiche umfasst sind, in denen der Widerstandswert des Sensors
von der Polarität
der am Sensor anliegenden Spannung abhängt.
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Außerdem ist
bei der Erfindung der verpolungsanhängige Sensor auch durch einen
verpolungsunabhängigen
Sensor ersetzbar, der also gleiche Widerstandswerte aufweist bei
verschiedenen Stromrichtungen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zum Auswählen des
größeren Messwertes
umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass je nach Anschlusspolung des
Sensors zumindest einer der beiden Messwerte geeignet ist zur Erfassung
der Temperatur und somit durch Auswählen des geeigneten Messwertes
die Temperatur richtig bestimmbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung des
durch den Sensor fließenden
Stromes, insbesondere von der anliegenden Spannung angetriebenen,
vorgesehen. Die elektrische Messwerterfassung ist daher mit kostengünstigen
Mitteln, wie Shuntwiderstand ausführbar. Es sind aber auch Hall-Sensoren
beim Stromerfassen einsetzbar. Insbesondere sind Mittel zum Auswählen des
betragsmäßig größeren erfassten
Stromwertes aus der Menge der erfassten Stromwerte umfasst, die
zumindest einen ersten erfassten Stromwert und den nach dem Umpolen
der Spannung erfassten Stromwert umfasst. Dadurch, dass bei beiden
Polungen der Spannung die Messwerte erfasst werden, ist stets zumindest
der best geeignetste zur Erfassung der Temperatur vorhanden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zum Analog-Digital-Wandeln
der erfassten Stromwerte vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die
nachfolgenden Auswerteschritte und Verarbeitungsschritte digital
ausführbar
sind, beispielsweise in einem Mikrocontroller oder einer Steuerschaltung oder
auch in einem Umrichter, der den Elektromotor versorgt. Insbesondere
ist dabei die entsprechende Elektronik, beispielsweise der Umrichter
oder der Mikrocontroller, innerhalb des Gehäuses des Elektromotors integrierbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Spannung eine Gleichspannung.
Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Mittel verwendbar sind
und solche Spannungen in einfacher Weise durch Stabilisatoren wohldefiniert
und kostengünstig
erzeugbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anordnung derart ausgeführt und
betreibbar, dass statt des verpolungsabhängigen Sensors ein verpolungsunabhängiger Sensor
einsetzbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Anordnung in unveränderter
Form auch für
ganz andere Anwendungen einsetzbar ist. Zwar ist mit einem Bimetallschalter
keine Temperaturerfassung wie mit dem KTY ermöglicht, jedoch ist die Anordnung
unverändert
einsetzbar. Somit können
auch andere Produkte mit anderen Aufgaben und/oder Problemstellungen
mit derselben Anordnung ausgestattet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der verpolungsunabhängige Sensor
ein PTC, NTC oder Bimetallschalter. Von Vorteil ist dabei, dass
sehr kostengünstige,
robuste und einfache Komponenten verwendbar sind.
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Wesentliche
Merkmale bei der Anlage sind, dass sie einen Elektromotor, der eine
Statorwicklung, deren Temperatur mittels eines verpolungsabhängigen Sensors
erfassbar ist, umfasst, wobei Mittel zum Umpolen der am Sensor anliegenden
Spannung vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass diese robusten
und einfachen Sensoren mit weitem Temperaturarbeitsbereich einsetzbar
sind. Obwohl sie ab einer Schwelltemperatur verpolungsabhängige Signale
liefern, wird durch die Mittel zum Umpolen ermöglicht, dass beim Anschließen kein
Verpolen möglich
ist. Somit sind Einsparungen an hochqualifiziertem Personal ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel zum Umpolen von
einer elektrischen Schaltung umfasst. Insbesondere ist die elektrische
Schaltung innerhalb des Motorgehäuses,
insbesondere innerhalb des Anschlusskastens, angeordnet. Von Vorteil
ist dabei, dass kein spezielles Gehäuse notwendig ist und dass
weniger Störspannungen
auftreten, weil die Datenübertragung
innerhalb des Schutzbereiches des Gehäuses des Elektromotors vorgesehen
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrische Schaltung
eine Auswerteschaltung. Insbesondere umfasst die elektrische Schaltung
die vorbeschriebene Anordnung, wobei der Sensor separat vorgesehen
ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Schaltung
realisiert ist. Insbesondere kann die Schaltung auch von einem Umrichter
umfasst sein.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird an den Sensor eine Spannung
angelegt, der durch den Sensor fließende Strom als erster Messwert
erfasst wird, die am Sensor anliegende Spannung umgepolt wird, der
durch den Sensor fließende
Strom als zweiter Messwert erfasst wird. Von Vorteil ist dabei,
dass ein einfaches Umpolen genügt,
um stets einen geeigneten Messwert zu erfassen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der betragsmäßig größere von
beiden Messwerten ausgewählt
und als die Temperatur darstellender Messwert verwendet. Von Vorteil
ist dabei, dass der geeignete Messwert ausgewählt wird. Insbesondere ist
der jeweils größere Betrag
des Messwertes einer jeweiligen Temperatur eindeutig zuordenbar.
Betragsbildende Mittel sind also bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
vorhanden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung findet das Umpolen mit einer Frequenz
statt, die einen Frequenzwert zwischen 0,1 Hz und 1 MHz aufweist.
Von Vorteil ist dabei, dass besonders im Frequenzbereich von 10
Hz bis unter 50 Hz oder 60 Hz kostengünstige und trotzdem genaue
Messwerte erzielen lassen. Alternativ ist auch der Frequenzbereich
von über
50 Hz oder über
60 Hz bis 1 kHz vorteilig verwendbar. Aber auch niedrigere Frequenzen
bis 0,1 oder weniger Hz sind einsetzbar sowie höhere bis 1 MHz und mehr. Somit
sind Messfehler reduzierbar. Besonders einfache Anordnungen entstehen,
wenn die Frequenz einer Netzfrequenz, also 50 oder 60 Hz entspricht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird statt des Umpolens der Gleichspannung
eine Rechteckspannung verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass kein
Mittel zum Umpolen notwendig ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Strommesswerte synchron
mit der Rechteckspannung oder dem Umpol-Ansteuersignal für das Mittel
zum Umpolen erfasst. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperaturerfassung
noch genauer ausführbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der erfasste Temperaturwert
mit einem kritischen Temperaturwert vergleichen und bei dessen Überschreiten
ein Abschalten eines Elektromotors oder zumindest eine Reduktion
der Leistung eines Elektromotors bewirkt. Von Vorteil ist dabei,
dass Aktionen auslösbar
sind, wenn der Motor zu heiß wird.
Außerdem
sind solche Informationen sowie Temperatur-Informationen auch über Feldbus
an andere Feldbusteilnehmer-Geräte
vorteiligerweise übertragbar.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1a und 1b ist
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt, wobei im Zustand nach 1a mittels
des Umpolschalters die Spannung am Sensor die umgekehrte Polarität hat wie
im Zustand nach 1b.
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Als
Sensor ist ein KTY-Sensor als Temperatursensor verwendet.
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Die
Auswerteschaltung umfasst einen Shunt-Widerstand R, wobei die an
ihm abfallende Spannung einem ADC, also einem Analog-Digital-Wandler,
zugeführt
wird und der somit digital erfasste Wert einer Steuerschaltung 1.
Diese steuert den Umpolschalter S an, der die an der Reihenschaltung
aus Sensor und Shunt-Widerstand R anliegende Gleichspannung in der
von der Steuerschaltung gewünschten
Polung anlegt. Der Zustand nach 1a bleibt
für etwa
100 ms erhalten. Danach wird der Umpolschalter S betätigt und
der Zustand nach 1b erreicht, welcher wiederum
für etwa
100 ms erhalten bleibt. Die Umpolungsfrequenz beträgt also 10
Hz.
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Der
vom ADC gewandelte digitale Wert im Zustand nach 1a wird
in der Steuerschaltung gespeichert und verglichen mit dem nachfolgenden Wert,
welcher im Zustand 1b erreicht wird. Der betragsmäßig größere Wert
wird dann als Messwert für Temperatur
verwendet. Somit synchronisiert die Steuerschaltung den Messwert
zum Umpolen.
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Wesentlicher
Grund hierfür
ist, dass beim KTY der Widerstandswert als Funktion der Temperatur
von niedrigen Temperaturen bis zu einer ersten Temperatur T1, die
bei etwa 140°C
liegt eindeutig verläuft,
unabhängig
von der Polung der angelegten Spannung. Oberhalb dieses Temperaturwertes,
also eines Schwellwertes, treten abhängig von der Polung der angelegten
Spannung verschiedene Widerstandswerte auf. Der davon betragsmäßig größere Wert
setzt die im Wesentlichen etwa lineare Kennlinie fort – mindestens
bis zu einer Temperatur T2 von etwa 170°C. Der andere Wert ist im wesentlichen konstant
von der ersten Temperatur T1 bis 170°C. In 4 ist die
Kennlinie hierzu schematisiert dargestellt. Bei der Erfindung wird
also nacheinander der Wert der unteren Kennlinie und der Wert der
oberen Kennlinie mittels ständig
wiederholtem Polaritätswechsel
gemessen. Unterhalb von T1 sind die Messwerte betragsgleich. Oberhalb
T1 wird der größere von
beiden Messwerten als der richtige Messwert gewählt.
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Auf
diese Weise ist es unwichtig, in welcher Polung der Sensor angeschlossen
wird. Der Sensor kann nie falsch angeschlossen werden. Es liegt
also eine Sicherheit gegen Verpolung des Sensors vor.
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Vorteiligerweise
ist der Sensor wärmeleitend mit
der Statorwicklung eines Elektromotors verbunden. Es ist sogar ausführbar, dass
der Sensor in die Statorwicklungen eingewickelt wird. Somit ist
die zu messende Temperatur auch möglichst gleich zu der in der
Statorwicklung auftretenden Temperatur. Die Auswerteschaltung kann
mit dem Sensor integriert ausgeführt
werden und mit eingewickelt werden, so dass nur eine Energie- und
Datenübertragung
zu weiteren Geräten,
die außerhalb
des Motors vorgesehen sind, vorzusehen ist. Diese ist mit elektrischen Leitungen
ausgeführt.
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Alternativ
ist es in einem anderen Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass nur der Sensor in die Statorwicklungen eingewickelt
wird und die Auswerteschaltung außerhalb des Motors vorgesehen
ist.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die Energie- und Datenübertragung
berührungslos ausgeführt, wie
bei RFID bekannt. Dabei wird also ein Abfragepuls von einem Sender
in den Wicklungsbereich gesendet und die Temperaturauswerteschaltung
berührungslos
daraus versorgt. Darüber
hinaus wird von dieser eine Rückantwort
gesendet, die den Temperaturmesswert beinhaltet.
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Wie
in 2a gezeigt, ist die Schaltung ebenso verwendbar,
wenn statt des KTY-Sensors ein Temperaturfühler TF, also beispielsweise
ein PTC oder gegebenenfalls ein NTC Widerstand, eingesetzt wird.
Auch dort ist der Zustand nach 2a und 2b bezüglich der
angelegten Spannung U_M unterschiedlich.
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Wie
in 3a gezeigt, ist die Schaltung ebenso verwendbar,
wenn statt des KTY-Sensors ein Temperaturfühler TH, also beispielsweise
ein Bimetallschalter, eingesetzt wird. Auch dort ist der Zustand nach 3a und 3b bezüglich der
angelegten Spannung U_M unterschiedlich.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird statt der 10 Hz Umpolungsfrequenz ein Frequenzwert zwischen
0,1 Hz und 1 kHz gewählt.
Es sind aber auch noch höhere
Frequenzen vorteilhaft verwendbar, insbesondere bis 1 MHz.
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Statt
KTY sind auch alle anderen Sensoren verwendbar, die zum Erfassen
einer Temperatur dienen und abhängig
von der Polarität
der angelegten Spannung verschiedene Messwerte abgeben. Dies tritt
für Silizium-Temperatur-Sensoren
auf.
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Aber
auch das Anschließen
von verpolungsunabhängigen
Sensoren ist bei weiteren Ausführungsbeispielen
vorteiligerweise ermöglicht.
Die Anordnung muss hierzu nicht geändert werden. Somit sind aus
einem Baukasten von Einzelteilen, die eine Anordnung, einen Sensor
und Teile eines Elektromotors umfassen, verschiedenste Varianten
von Elektromotoren mit entsprechenden Sensoren herstellbar. Dadurch
ist also mit einer geringen Teilezahl eine hohe Varianz von Produkten,
wie Elektromotoren, erreichbar.
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- 1
- Steuerschaltung
- ϑ
- KTY-Sensor
- I_M
- Messstrom
- U_M
- Spannung
am Sensor
- R
- Shuntwiderstand
- S
- Umpolschalter
- VDC
- Gleichspannungsquelle
- ADC
- Analog-Digital-Wandler