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Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur automatischen Erkennung eines elektrischen Heizdrahts vor Schneiden und Gewährleistung einer konstanten Leistung und damit der Temperatur des elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper mit einem Sensor zur Erfassung des durch den Heizdraht fliegenden elektrischen Stromes und einem mit dem Sensor und einem Leistungsschalter zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem.
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Von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper werden insbesondere zum Isolieren von Gebäuden verwendet. Dazu werden insbesondere geschäumte Materialien verwendet, die bei Einwirkung einer Flamme oder stark erhitzten Werkzeugen nur örtlich verbrennen. Infolge der chemischen und physikalischen Eigenschaften bleibt der Verbrennungsvorgang auf den Ort der unmittelbaren Anwendung der Wärmequelle beschränkt.
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Geräte zum Schneiden derartiger Kunststoffe mittels elektrisch beheizter Werkzeuge oder Trennelemente sind bekannt. Dabei wird der Heizdraht über einen Transformator mit einem elektrischen Netz verbunden. Der Heizdraht stellt dabei einen elektrischen Widerstand im Stromkreis mit dem Transformator dar. Der Betrieb erfolgt ungeregelt.
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Durch die Druckschrift
DE 20 2009 007 197 U1 ist ein Schneidgerät mit einem elektrischen Heizdraht für durch Wärmeeinwirkung zu trennende Werkstücke bekannt. Dabei ist in dem Heizkreis des Heizdrahtes ein Messwiderstand mit Abgriffen vorgesehen, so dass über die zwei Abgriffe des Messwiderstandes ein stromäquivalenter Spannungsabfall abgreifbar ist. Die Abgriffe sind über einen Analog-Digital-Wandler und einem Datenverarbeitungssystem mit einem Netzgerät so verbunden, dass eine dem im Heizdraht fließenden Strom zugeordnete elektrische Spannung am Heizdraht anliegt. Alternativ zu der Strommessung kann die Länge des Heizdrahts mittels eines Längenmesssystems bestimmt und in Abhängigkeit davon die Spannung am Heizdraht eingestellt werden. Die Steuerung erfolgt mittels der Höhe der Spannung, die aber durch die zu verwendende Kleinspannung und der zum Schneiden notwendigen Leistung begrenzt ist.
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Durch die Druckschrift
DE 195 10 818 C1 ist eine widerstandsbeheizte Trennvorrichtung für textile Bahnen bekannt. Ein Bestandteil des Schneidteils sind mehrere Schmelzschneidelemente, deren Temperatur unter anderem über einen mit einem Temperatursensor verbundenen Komparator in Abhängigkeit von Referenzwerten einstellbar ist. Dabei erfolgt eine Sollwerteinstellung der Temperatur jedes einzelnen Schneidteils, um gleichmäßige Schnitte des Schneidteils mit den Schmelzschneidelementen zu gewährleisten.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 061 047 A1 beinhaltet eine Schneidvorrichtung für Wärmedämmplatten, wobei im Wesentlichen durch Zu- oder Abschalten von Akkumulatorelementen eine Regelung des Stroms und/oder der Spannung des Schneiddrahtes erfolgt. Der Betrieb erfolgt dabei in bestimmten Modi.
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Durch die Druckschrift
DE 299 04 994 U1 ist eine Vorrichtung zum Schneiden von Hartschaum bekannt, wobei das Heizelement nur mit zwei verschiedenen Heizleistungen betreibbar ist.
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Der in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur eines Heizdrahts während des Schneidens von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper weitestgehend konstant zu halten.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Verfahren und Einrichtungen zur automatischen Erkennung eines elektrischen Heizdrahts vor Schneiden und Gewährleistung einer konstanten Leistung und damit der Temperatur des elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Temperatur des Heizdrahts während des Schneidens weitestgehend konstant gehalten wird.
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Dazu erfolgt in einem ersten Schritt ein NULL-Abgleich der Differenz zwischen der Spannung am Sensor und der Referenzspannung einer einstellbaren Referenzspannungsquelle, wobei
- – im Leerlauf die Referenzspannung gleich der Spannung am Sensor ist und
- – durch den NULL-Abgleich ein der Länge und des Materials des Heizdrahts äquivalenter und mittels des Datenverarbeitungssystems diesem Heizdraht zuordenbarer Spannungswert vorhanden ist.
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In einem zweiten Schritt wird das Start-Tastverhältnis für eine Pulsweitenmodulation aus dem der Länge und des Materials des Heizdrahts äquivalenten Spannungswert bestimmt, wobei im Leerlauf mit Vergrößerung der Länge des Heizdrahts Tein der Periodendauer zunimmt und Taus abnimmt.
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In einem dritten Schritt erfolgt die Berechnung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit des angeschlossenen Heizdrahts für die Pulsweitenmodulation im Datenverarbeitungssystem und Zuführung des Tastverhältnisses als Pulsweitenmodulation an den Leistungsschalter während des Schneidvorganges, wobei
- – die Referenzspannung konstant ist und sich die Spannung am Sensor als Ist-Größe ändert und somit die Differenzspannung aus der Referenzspannung und der Spannung am Sensor ungleich NULL ist und
- – das Tastverhältnis für die Pulsweitenmodulation ein die Differenzspannung als Regeldifferenz berücksichtigendes Tastverhältnis ist.
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Das Datenverarbeitungssystem ist insbesondere ein bekannter Mikrorechner/Mikrocontroller. Mit diesem erfolgt die Regelung des gesamten Betriebs des Heizdrahts insbesondere bis zum Erreichen der Anfangsbedingungen und während des Schneidvorgangs.
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Der Heizdraht besteht bekannterweise aus einer hochwarmfesten Nickellegierung. Um einen Körper aus einem geschäumten Kunststoff zu schneiden, ist eine Temperatur des Heizdrahts von beispielsweise größer 200°C notwendig. Dabei fließt ein elektrischer Strom von mehreren Ampere, bei einer Kleinspannung von kleiner/gleich 60 V. Während des Schneidvorgangs sinkt die Temperatur mit einem ungeregelt betriebenen Heizdraht. Dabei kann die Temperatur eine Größe erreichen, wobei der Schneidvorgang nicht weiter oder gehemmt möglich ist. Erst nach Aufheizen durch Herabsetzen der Schnittgeschwindigkeit oder Unterbrechen des Schneidvorgangs kann Letzterer fortgesetzt werden. Daraus resultieren Unregelmäßigkeiten der Schnittgeometrie. Beim Aufheizen bildet sich ein breiterer Schnitt heraus. Es hat sich gezeigt, dass die Änderung des dabei fließenden elektrischen Stromes im Heizdraht kleiner 0,5 A ist. Daraus folgt eine nur geringe Differenz der elektrischen Parameter, um eine konstante Leistung und damit der Temperatur während des Schneidvorgangs zu gewährleisten. Aus dieser Differenz resultiert der relativ geringe zur Verfügung stehende Regelbereich.
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Die Regelung erfolgt vorteilhafterweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM), wobei der Leistungsschalter entsprechend dem Tastverhältnis und damit der Breite des Signals der Steuereinrichtung basierend auf der Spannung des Sensors geschalten wird. Dabei wird der Heizdraht ständig ein- und ausgeschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, um so höher ist die mittlere Heizleistung. Die Temperatur des Heizdrahts kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen und ergibt so das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation. Der Leistungsschalter wird dabei vorteilhafterweise nur in den zwei Schaltzuständen voll sperrend (kaum Strom, voller Spannungsabfall) oder voll durchgeschaltet (voller Strom, kaum Spannungsabfall) betrieben. Dabei wird möglichst wenig Verlustenergie abgegeben. Der Mittelwert der Spannung wird dabei um das Verhältnis Einschaltzeit/Periodendauer reduziert.
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Die Spannungsquelle ist beispielsweise ein Akkumulator, ein Schaltnetzteil oder ein Netzteil mit geregelter Ausgangsspannung als Gleichspannungsquelle. Natürlich ist auch eine Wechselspannungsquelle einsetzbar.
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Vorteilhafterweise wird mit der Einrichtung eine Temperatur am Heizdraht erzeugt, wobei ein glühender Heizdraht vermieden wird. Gleichzeitig steigt dabei die Standzeit des Heizdrahts.
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Auch dadurch hervorgerufene Gefahren bei Reißen des Heizdrahts werden weitestgehend vermieden.
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Die Einrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine ökonomische und energieeffiziente Arbeitsweise gegeben ist.
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Die Einrichtung besteht dazu aus
- – einem elektrischen Stromkreis bestehend aus der Spannungsquelle mit einer Kleinspannung von kleiner/gleich 60 V, dem Leistungsschalter und dem Heizdraht,
- – dem Sensor zur Erfassung des durch den Heizdraht fließenden elektrischen Stromes, wobei der Sensor mit dem Heizdraht verbunden, an diesen gekoppelt oder ein Bestandteil des Stromkreises ist, und
- – dem mit dem Sensor und dem Leistungsschalter und der Referenzspannungsquelle zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 bis 5 angegeben.
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Günstigerweise ist die Referenzspannungsquelle nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein einstellbarer Spannungsteiler mit wenigstens einem Potentiometer.
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Das Potentiometer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein von dem Datenverarbeitungssystem einstellbares Potentiometer, günstigerweise in Form eines elektronischen Potentiometers.
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Der Leistungsschalter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 mit einer Schutzschaltung gegen Überspannungen versehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper,
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2 eine Einrichtung mit einer Referenzspannung als Führungsgröße und
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3 eine Einrichtung mit einer Regelschleife.
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Eine Einrichtung zur Steuerung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts 4 beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper besteht im Wesentlichen aus einer Spannungsquelle 1, einem Leistungsschalter 2, einem Sensor 3 zur Erfassung des durch den Heizdraht 4 fließenden elektrischen Stroms und einem Datenverarbeitungssystem 5.
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Die 1 eine Einrichtung zur Steuerung der Temperatur eines elektrischen Heizdrahts 4 beim Schneiden von durch Wärmeeinwirkung zu trennende Körper in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Heizdraht 4 ist ein Bestandteil eines elektrischen Stromkreises mit der Spannungsquelle 1 und dem Leistungsschalter 2.
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Die Spannungsquelle 1 ist eine Gleichspannungsquelle in Form eines Akkumulators, eines Schaltnetzteils oder eines Netzteils, letztere jeweils mit einer geregelten Ausgangsspannung.
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Der Heizdraht 4 besteht bekannterweise aus einer Nickellegierung, beispielsweise NiCr15Fe7TiAl. Letztere besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 20°C von 1,21 Ohm mm2/m. Der Strom-/Spannungsverlauf dieses Heizdrahts 4 ist annähernd linear.
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Die Spannungsquelle 1 ist über den Leistungsschalter 2 mit dem Heizdraht 4 verbunden. Am Heizdraht 4, mit diesem verbunden oder als Bestandteil des Gleichstromkreises ist der Sensor 3 zur Erfassung des durch den Heizdraht 4 fließenden elektrischen Stromes verbunden oder gekoppelt.
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Das Datenverarbeitungssystem 5 ist mit dem Sensor 3 und dem Leistungsschalter 2 so zusammengeschaltet, dass der Leistungsschalter 2 mittels Pulsweitenmodulation mit der Spannung des Sensors 3 als Ist-Größe und damit die dem Heizdraht 4 durch die Spannungsquelle 1 zugeführte Leistung gesteuert wird. Das Datenverarbeitungssystem 5 ist insbesondere ein Mikrorechner/Mikrocontroller.
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Während des Schneidvorgangs erhöht sich der fließende elektrische Strom während der Eintauchphase des Heizdrahts 4 in den Körper. Der Stromfluss ändert sich nach einer bestimmten Schnitttiefe abrupt, wobei sich die elektrische Spannung kaum ändert. Dabei sinkt allerdings die Temperatur durch Wärmeübergänge in den Körper und der Umgebung. Der Schneidvorgang ist gehemmt, so dass erst nach einer erneuten Aufwärmung des Heizdrahts 4 bei langsam fallenden fließenden Strom der Schneidvorgang fortsetzbar ist. Dieser Vorgang tritt natürlich nur bei entsprechend dicken Körpern auf.
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Die Regeldifferenz aus der Spannung des Sensors 3 als Ist-Wert und einer Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle 6 ist als Führungsgröße gebildet.
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Die 2 zeigt eine Einrichtung mit einer Referenzspannung als Führungsgröße in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Differenz gebildet aus der Spannung des Sensors 3 und der Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle 6 ist nach der Kalibrierung gleich Null, so dass im Leerlauf während des Aufheizens ohne Schnittwirkung die Referenzspannung gleich der Spannung am Sensor 3 ist.
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Dazu ist die Referenzspannungsquelle 6 ein einstellbarer Spannungsteiler mit einem Potentiometer 7, insbesondere in Form eines elektronischen Potentiometers. Damit ist durch den NULL-Abgleich in der Kalibrierphase am Schleifer des Potentiometers 7 ein der Länge des Heizdrahts 4 äquivalenter Spannungswert vorhanden, wobei dieser Spannungswert mittels des Datenverarbeitungssystems 5 der Länge und dem Material des Heizdrahts 4 zuordenbar ist. Damit ist eine automatische Drahterkennung realisiert.
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Das Potentiometer 7 ist dazu vorteilhafterweise 7 ein von dem Datenverarbeitungssystem 5 einstellbares Potentiometer 7.
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Die Ermittlung der Differenz erfolgt vorteilhafterweise mit dem internen Analog-Digital-Wandler des Mikrorechners als Datenverarbeitungssystem 5. Natürlich ist dazu auch ein externer Analog-Digital-Wandler einsetzbar.
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Die 3 zeigt eine Einrichtung mit einer Regelschleife in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Verwendung von verschieden langen Heizdrähten 4 in der Einrichtung setzt eine automatische Erkennung oder Unterscheidung in der Software des Datenverarbeitungssystems 5 voraus. Dies gilt zum Einen für die Kalibrierphase und zum Anderen für die Berechnung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation in dem Datenverarbeitungssystem 5 also der Regelphase. Der Automatismus ist notwendig, da sich der Widerstand des Heizdrahts 4 mit einer größeren Länge erhöht und sich die Temperatur bei gleichen Spannungsverhältnissen verringert.
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Da in der Kalibrierphase mit dem elektronischen Potentiometer 7 der NULL-Abgleich am differentiellen Analog-Digital-Wandler des Mikrorechners realisiert wird, stellt sich am Schleifer des elektronischen Potentiometers 7 genau dieser jeweilige Spannungswert ein. Damit ist demzufolge eine Unterscheidung treffbar, welcher Heizdraht 4 an der Einrichtung betrieben wird. Damit wird die Zeit zur Erreichung der Betriebstemperatur des Heizdrahts 4 vor Beginn des Schneidens bestimmt.
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In der Regelphase erfolgt die Berechnung des Tastverhältnisses der PWM in Abhängigkeit des angeschlossenen Heizdrahts 4. Dabei wird durch das Datenverarbeitungssystem 5 das Start-Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bestimmt, wobei im Leerlauf mit Vergrößerung der Länge Tein zunimmt und Taus abnimmt.
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Das Start-Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation fließt für den jeweiligen Arbeitspunkt und die Skalierung der ermittelten Abweichung von der Referenzspannung und damit dem ADC-Referenzpunkt in die Berechnung des neu zu setzenden Tastverhältnisses ein.
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Der Leistungsschalter 2 ist in einer Ausführungsform mit einer Schutzschaltung gegen Überspannungen versehen.
