DE102010051559A1 - Algorithmus und Kalibrierverfahren zur Temperaturbestimmung eines induktiv beheizten Maschinenteils - Google Patents

Algorithmus und Kalibrierverfahren zur Temperaturbestimmung eines induktiv beheizten Maschinenteils Download PDF

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Abstract

Ein Algorithmus und Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils wird vorgeschlagen, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels eines von einer Primärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt, wobei ein zu einem durch die Primärwicklung fließenden Strom korrespondierender erster Wert gemessen wird und ein zu einer in dem Maschinenteil oder dem Heizelement induzierten Spannung korrespondierender zweiter Wert gemessen wird, wobei jeweils ein erster Wert und zweiter Wert ein Wertepaar bilden, und wobei die Temperatur in Abhängigkeit von einem zu einem Widerstand des Maschinenteils bzw. Heizelements korrespondierenden Quotienten aus zweitem Wert und erstem Wert unter Verwendung des Wertepaars über eine Zuordnungsfunktion bestimmt wird. Es wird vorgeschlagen, dass zur Kalibrierung mindestens zwei unterschiedliche Primärspannungen an der Primärwicklung in einem zeitlich kurzen Abstand angelegt werden und zu diesen Primärspannungen Wertepaare bestimmt werden, wobei diese Wertepaare zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils oder Heizelementes korrespondieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein System zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, ein Modul mit einem beheizbaren Maschinenteil sowie eine Vorrichtung zur Kalibrierung.
  • 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 der DE 34 32 824 A1 geht es darum, die Temperatur eines um einen Heizring, geführten Films auf einem konstanten Wert zu halten. Der in Teflonlagern rotierende Heizring stellt ein induktiv beheiztes, in diesem Fall sich gegenüber der Primärwicklung drehendes Maschinenteil dar. Das von der Primärwicklung auf einem hier geschlossenen Kern erzeugte magnetische Wechselfeld führt zur induktiven Beheizung des aus Aluminium bestehenden Heizringes. Bei diesem Verfahren geht es darum, die tatsächliche Temperatur des Heizringes möglichst genau festzustellen, um diese durch entsprechende Regelung des die Primärwicklung durchfließenden Wechselstroms möglichst konstant zu halten.
  • Dazu werden betriebsmäßig primärseitig Strom und Spannung gemessen, und zwar als primärseitiger Strom der äußere Heizstrom und als primärseitige Spannung die induzierte Spannung, erfasst mittels einer Hilfswicklung, die mit Abstand von der Hauptwicklung auf dem geschlossenen Kern angeordnet ist. Durch eine Auswerteschaltung wird die durch die festgestellte, induzierte Spannung ermittelte Temperatur des Maschinenteils mit der Solltemperatur verglichen und der primärseitige Strom wird entsprechend gesteuert.
  • Es liegt auf der Hand, dass bei diesem bekannten Verfahren zunächst, also vor Inbetriebnahme einer entsprechenden Vorrichtung, eine Kalibrierung erfolgen muss, nämlich die gewünschte Temperatur des Heizrings eingestellt und festgestellt werden muss, welcher Strom primärseitig fließt und welche Spannung über die Hilfswicklung dann primärseitig erfasst wird. Die dadurch ermittelten Kalibrierparameter fließen in die rechnerische Auswertung bzw. die Auslegung der Auswerteschaltung, Einstellung von Referenzwerten etc. ein.
  • Bei dem bekannten Verfahren wird nichts darüber ausgesagt, wie die Kalibrierung tatsächlich durchgeführt werden kann. Das ist bei dem bekannten Verfahren auch deshalb kein Thema, weil nur eine Temperatur, nämlich die Solltemperatur des Heizringes, bestimmt werden muss. Die Bestimmung eines einzigen Temperaturwerts, also die punktuelle Eichung der Vorrichtung, kann aber ganz einfach empirisch erfolgen.
  • Will man das zuvor erläuterte, bekannte Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils einsetzen, dessen Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich betriebsmäßig schwanken kann, so muss man ein Kalibrierverfahren und ein Auswerteverfahren haben, das messtechnisch und auswertungstechnisch sinnvoll ist. Die empirische Ermittlung einer Eichkurve und die Auswertung anhand der empirisch ermittelten Eichkurve wäre zwar auch möglich, ist aber sehr aufwendig.
  • Im Übrigen ist es bekannt, die Temperatur mit Hilfe von Temperatursensoren, die am Maschinenteil an entsprechender Stelle eingebaut werden, zu ermitteln. Das wirft dann Schwierigkeiten auf, wenn das Maschinenteil leicht auswechselbar sein muss, beispielsweise bei Werkzeugen in der Kunststoffverarbeitung, oder wenn sich das Maschinenteil bewegt, insbesondere rotiert. Im einen Fall müssen spezielle, leicht lösbare Anschlusselemente vorhanden und entsprechend in das Werkzeug integriert werden, im anderen Fall müssen Messwertüberträger vorgesehen und eingebaut werden, um die Temperaturmesssignale vom sich mit dem Maschinenteil bewegenden Temperatursensor zur stationären Mess- und Regeleinrichtung zu übertragen.
  • Bei der DE 40 24 432 C2 , von der die Erfindung ausgeht, wird ein temperaturabhängiger Widerstand des beheizten Maschinenteils mittels eines Quotienten aus Spannungsabfall über einer Hilfswicklung und einer Differenz aus dem von außen zugeführten Heizstrom und dem durch die Hauptinduktivität abfließenden Strom ermittelt. Zur Kalibrierung wird vorgeschlagen, die Abhängigkeit der Temperatur des Maschinenteils von diesem Quotienten zu bestimmen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung von Koeffizienten wird dann im Folgenden vorgeschlagen, die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung an der Hilfswicklung einerseits und die Abhängigkeit des Quotienten von der Temperatur andererseits zu bestimmen. Danach kann die Temperatur aus der Spannung an der Hilfswicklung und dem zugeführten Heizstrom berechnet werden.
  • Das Verfahren führt zwar, im Gegensatz zu einem empirischen Ansatz, zu einer technisch gut verwendbaren Zuordnungsvorschrift basierend auf einem physikalischen Ansatz, ist jedoch in der Praxis oft nicht hinreichend genau. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass durch Abnutzung des Maschinenteils bzw. Heizelements erhebliche Veränderungen des Widerstands eintreten. Weiter führen Abweichungen in der Versorgungsspannung zu einer fehlerhaften Temperaturbestimmung. Dies ist besonders nachteilig in Regionen, in denen die Netzspannungsversorgung nicht ausreichend konstant gehalten wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte, eingangs erläuterte Verfahren so auszugestalten und weiterzubilden, dass die Temperatur des Maschinenteils über einen langen Zeitraum hinweg sowie unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung möglichst exakt ermittelt bzw. gesteuert werden kann.
  • Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 3, durch ein Modul gemäß Patentanspruch 10 oder eine Kalibriervorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelements im oder am Maschinenteil mittels eines von einer Primärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfelds erfolgt. Ein zu dem durch die Primärwicklung fließenden Strom korrespondierender erster Wert und ein zu einer in dem Maschinenteil oder im Heizelement induzierten Spannung korrespondierender zweiter Wert werden gemessen, wobei jeweils ein erster und ein zweiter Wert ein Wertepaar bilden. Die Temperatur lässt sich betriebsmäßig über eine Zuordnungsfunktion ermitteln.
  • Vorzugsweise beschreibt die Zuordnungsfunktion eine Abhängigkeit der Temperatur von dem ohmschen Widerstand des Maschinenteils bzw. Heizelements. Hierzu kann die Zuordnungsvorschrift einen zu dem Widerstand des Maschinenteils bzw. Heizelements korrespondierenden Quotienten aus dem zweiten Wert und dem ersten Wert aufweisen. Die Temperatur kann dann durch Einsetzen eines gemessenen Wertepaares in die Zuordnungsvorschrift berechnet werden, ohne dass die Temperatur im laufenden Betrieb direkt gemessen werden muss. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist auch ein Quotient, der neben dem ersten Wert und dem zweiten Wert einen oder mehrere zusätzliche Werte oder Terme aufweist, ein „Quotient aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert”. Der Begriff „Quotient” ist also insbesondere in einem weiteren Sinn zu verstehen. Insbesondere kann der „Quotient aus dem zweiten Wert und dem ersten Wert” im Nenner eine Summe aus erstem Wert und einer Korrekturfunktion, insbesondere einer nicht-linearen Funktion aufweisen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also kein am Maschinenteil eingebauter Temperatursensor verwendet, sondern es wird ein verbessertes Kalibrierverfahren mit einem passenden Auswerteverfahren kombiniert. Als Kalibrierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Bestimmung von Parametern, Koeffizienten und Variablen der Zuordnungsfunktion zu verstehen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zur Kalibrierung mindestens zwei unterschiedliche Primärspannungen in einem zeitlich kurzen Abstand und/oder nur kurzzeitig an die Primärwicklung angelegt und zu diesen Primärspannungen werden Wertepaare bestimmt, wobei diese Wertepaare zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils oder Heizelements korrespondieren. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Primärspannung an der Primärwicklung zu ändern und in einem zeitlich kurzen Abstand nach der Änderung ein erstes Wertepaar zu messen, vorzugsweise wobei sich die Temperatur zumindest im Wesentlichen noch nicht der veränderten Primärspannung entsprechend geändert hat. Dieser Schritt wird vorzugsweise wiederholt, wobei die gemessenen Wertepaare insbesondere zu derselben Temperatur und/oder zu unterschiedlichen Primärspannungen korrespondieren. Weiter ist bevorzugt, dass die zu den Wertepaaren korrespondierende Temperatur gemessen und/oder das Maschinenteil bzw. Heizelement vorab auf eine mittlere Betriebstemperatur oder Nenntemperatur geregelt wird.
  • Der zur Temperatur bzw. zum Widerstand des Maschinenteils korrespondierende Quotient aus dem zweiten und ersten Wert kann gemäß Untersuchungen beispielsweise aufgrund von Sättigungseffekten eine signifikante Abhängigkeit von der Primärspannung aufweisen, was zu Fehlern bei der Temperaturbestimmung mittels der Zuordnungsfunktion führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Versorgungsspannung oder Netzspannung Schwankungen oder Abweichungen unterliegt. Für eine Kalibrierung ist es folglich sinnvoll, über Messungen mit unterschiedlichen Primärspannungen eine Korrekturfunktion, vorzugsweise mit nichtlinearen Anteilen und daher im Folgenden auch nichtlineare Funktion genannt, oder Kompensationsfunktion zu bestimmen, mit welcher der Einfluss der Primärspannung in der Zuordnungsfunktion eliminierbar ist. Die Kompensationsfunktion ist also vorzugsweise ein Teil der Zuordnungsfunktion und/oder entspricht einer Differenz aus erstem Wert und einem Strom durch den ohmschen Widerstand des Maschinenteils oder Heizelements. Die Kompensationsfunktion beschreibt also insbesondere den Unterschied zwischen Strom in der Primärwicklung und dem Strom in dem Maschinenteil und repräsentiert Verluste im Kern und/oder nichtlineare Sättigungseffekte o. dgl.
  • Eine Veränderung der Primärspannung führt jedoch nicht nur zu einer entsprechenden Änderung des Wertepaares, sondern im Normalfall auch zu einer Änderung der Temperatur des Maschinenteils oder Heizelements. Es ist jedoch sehr aufwendig, die Abhängigkeit der Wertepaare von der Primärspannung zu separieren, indem im Nachhinein die Abhängigkeit von der Temperatur eliminiert wird. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, zu unterschiedlichen Primärspannungen korrespondierende Wertepaare bei derselben Temperatur zu bestimmen. In besonders vorteilhafter Weise kann dies erreicht werden, wenn unterschiedliche Primärspannungen an der Primärwicklung in einem zeitlich kurzen Abstand und/oder nur kurzzeitig angelegt werden. Dies führt dazu, dass aufgrund der Trägheit der Temperaturänderung bedingt durch die Wärmekapazität des Maschinenteils oder des Heizelements unterschiedliche Wertpaare zu den unterschiedlichen Primärspannungen bei zumindest im Wesentlichen derselben tatsächlichen Temperatur bestimmt werden können. Es sind mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren also keine weiteren Maßnahmen nötig, um hier die Temperatur konstant zu halten, was also zu einem ausgesprochen einfachen und mit wenig Aufwand verbundenen Verfahren führt. Durch das vorschlagsgemäße Verfahren wird ein unmittelbarer Rückschluss auf die Abhängigkeit der Wertepaare von der Primärspannung ermöglicht. Auf eine aufwendige Elimination der Temperaturabhängigkeit zur Bestimmung der Korrekturfunktion bzw. nicht-linearen Funktion kann also mit der vorgeschlagenen Lösung verzichtet werden.
  • Gemäß einem zweiten, auch unabhängig realisierbaren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren mit zwei unterschiedlichen Kalibrierschritten zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion vorgeschlagen, also insbesondere zur Ermittlung von Parametern, Variablen oder Koeffizienten der Zuordnungsfunktion.
  • In einem einmalig und initial durchgeführten, ersten Kalibrierschritt werden unter Vorgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Primärspannungen an der Primärwicklung zu diesen korrespondierende Wertepaare zur Bestimmung einer nichtlinearen Funktion zur Kompensation eines nichtlinearen Zusammenhangs des ersten Werts vom zweiten Wert gemessen.
  • Vorzugsweise wird der erste Kalibrierschritt entsprechend der Merkmale des eingangs erläuterten ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung durchgeführt, die unterschiedlichen Primärspannungen werden also in einem zeitlich kurzen Abstand voneinander oder nur kurzzeitig angelegt, was zu den beschriebenen Vorteilen, insbesondere zu Messungen bei konstanter Temperatur führt.
  • In einem fortlaufend oder wiederholt durchgeführten, zweiten Kalibrierschritt wird, vorzugsweise im Einbauzustand des Maschinenteils oder Heizelements, zu unterschiedlichen (insbesondere mit einem Sensor o. dgl. gemessenen) tatsächlichen Temperaturen aus denn betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich korrespondierende Wertepaare zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion gemessen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den zweiten Kalibrierschritt extern durchzuführen. Beispielsweise kann im Zusammenhang mit oder nach einer (regelmäßig durchgeführten) Reinigung des Maschinenteils in vorteilhafter Weise potenziell durch den Reinigungsvorgang hervorgerufene Änderungen des Widerstands durch einen intern oder extern durchführbaren, anschließenden Kalibrierschritt in der Zuordnungsvorschrift berücksichtigt werden können.
  • Das vorschlagsgemäße Verfahren mit zwei Kalibrierschritten hat große Vorteile in Bezug auf die Genauigkeit sowie die Zuverlässigkeit der Temperaturbestimmung aus Wertepaaren.
  • Der erste Kalibrierschritt stellt durch Messung der Primärspannungsabhängigkeit und der Bestimmung der nichtlinearen Funktion zur Kompensation die Möglichkeit zur Verfügung, die Primärspannungsabhängigkeit der Temperaturberechnung aus den Wertepaaren zu eliminieren. Hierzu war die Erkenntnis wichtig, dass es einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Primärspannung und dem Wertepaar, dem Quotienten und insbesondere dem zweiten Wert gibt, der insbesondere vom zu einer Temperatur korrespondierenden Widerstand des Maschinenteils oder Heizelements zumindest im Wesentlichen unabhängig ist, was zu Ungenauigkeiten in der Temperaturbestimmung führt. Die nichtlineare Abhängigkeit kann in vorteilhafter Weise dadurch kompensiert werden, dass die nichtlineare Funktion als Korrekturfunktion für die Zuordnungsfunktion verwendet wird, deren Bestimmung mittels des vorgeschlagenen, ersten Kalibrierschritts möglich ist.
  • Die Abhängigkeiten von der Primärspannung unterliegen keinen signifikanten zeitlichen Schwankungen und/oder keinen relevanten Änderungen auch bei Abnutzung oder Veränderung des Maschinenteils, des Heizelements oder dessen ohmschen Widerstands und sind insbesondere hauptsächlich bauartbedingt oder abhängig von Material und Geometrie des verwendeten Kerns. Aus diesem Grund wird der erste Kalibrierschritt vorzugsweise nur einmalig und initial durchgeführt, was in vorteilhafter Weise Zeit sowie Aufwand spart. Optional kann der erste Kalibrierschritt auch für eine gesamte Produktfamilie mit identischem Aufbau im Bereich des Maschinenteils nur einmalig durchgeführt werden.
  • Im zweiten Kalibrierschritt werden Messungen zur Bestimmung der Abhängigkeit der Temperatur von den Wertepaaren durchgeführt. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Zusammenhang zwischen tatsächlichen Temperaturen und korrespondierenden Wertepaaren zeitlichen Schwankungen oder Änderungen unterliegt. Eine Ursache ist Alterung bzw. Verschleiß des Maschinenteils, was zu einer Änderung des temperaturabhängigen Widerstands des Maschinenteils bzw. Heizelements führt. Aus dem Stand der Technik ist lediglich bekannt, zur einmaligen, anfänglichen Kalibrierung einen konstanten Term zur Kompensation etwaiger Fehler zu bestimmen. Hierdurch ist es jedoch nicht möglich, die zeitliche Änderung der insbesondere elektrischen Eigenschaften des Maschinenteils oder Heizelements ausreichend zu berücksichtigen. Vorschlagsgemäß wird daher der zweite Kalibrierschritt zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion fortlaufend oder wiederholt durchgeführt, insbesondere zur Bestimmung von Variablen, Parameter o. dgl. und/oder um den Zusammenhang der Temperatur in Abhängigkeit von dem zum Widerstand des Maschinenteils bzw. Heizelements korrespondierenden Quotienten aus zweitem und erstem Wert zu berechnen. Weiter ist vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest dieser Kalibrierschritt im Einbauzustand des Maschinenteils oder Heizelements durchgeführt wird oder werden kann. Obwohl für eine ausreichende Genauigkeit der zweite Kalibrierschritt regelmäßig wiederholt wird, kann durch die Kalibrierung im Einbauzustand ein möglicher Zeitverlust in vorteilhafter Weise minimiert werden. Zudem ist für den zweiten Kalibrierschritt eine Vorgabe einer schnellen Sequenz unterschiedlicher Primärspannungen nicht nötig, was die Durchführung des zweiten Kalibrierschrittes im Einbauzustand in vorteilhafter Weise erleichtert.
  • Zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion ist es bevorzugt, dass eine erste und eine zweite Variable bestimmt werden, wobei die erste Variable die relative Abhängigkeit der Temperatur von dem Quotienten aus zweitem und erstem Wert beschreibt und/oder wobei die zweite Variable eine absolute Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur repräsentiert. Hierfür kann ein Gleichungssystem basierend auf mindestens zwei Wertepaaren und zu diesen korrespondierenden, insbesondere gemessenen, Temperaturen gelöst werden. Es ist bevorzugt, dass bei einer initialen Kalibrierung bzw. Bestimmung von Parametern zuerst ein zweiter Kalibrierschritt und erst danach ein erster Kalibrierschritt ausgeführt wird. Hierdurch wird vorzugsweise ermöglicht, ausgehend von einer bereits bestimmten Temperaturabhängigkeit die nicht-lineare Funktion als Abweichung darzustellen, was deren Berechnung erleichtern kann. Weiter ist es möglich, den ersten Kalibrierschritt und den zweiten Kalibrierschritt in einer beliebigen Reihenfolge durchzuführen und die ermittelten Messwerte gemeinsam zu der Zuordnungsfunktion zu verarbeiten bzw. Parameter, Variabeln o. dgl. für die Zuordnungsfunktion zu bestimmen.
  • Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Modul mit einem beheizbaren Maschinenteil sowie mit einer Primärwicklung und einer Hilfswicklung, die jeweils induktiv mit dem Maschinenteil oder mit einer diesem zugeordneten Heizeinrichtung gekoppelt sind. Es ist vorgesehen, dass das Maschinenteil, die Primärwicklung und die Hilfswicklung eine bauliche Einheit bilden, die aus einer Maschine entnehmbar oder von dieser abnehmbar ist und eine Kalibriervorrichtung einsetzbar oder an diese anschließbar und mittels dieser kalibrierbar ist. Insbesondere wird zur Kalibrierung das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
  • Mit dem vorschlagsgemäßen Modul ist es möglich, den ersten Kalibrierschritt in einer speziell hierfür vorgesehenen Kalibriervorrichtung durchzuführen. Durch den Einsatz eines Moduls kann sichergestellt werden, dass die für den Kalibriervorgang relevanten Voraussetzungen, also insbesondere elektrische Eigenschaften des Maschinenteils, der Primär- und der Hilfswicklung, auch bei der späteren Verwendung im Einbauzustand identisch vorliegen. Die Vermessung lediglich des Maschinenteils, was alternativ oder zusätzlich auch möglich ist, führt jedoch tendenziell zu einer verminderten Genauigkeit oder Zuverlässigkeit der Kalibrierung. Weiter bietet der Einsatz eines Moduls den Vorteil, dass ein einfacher und zügiger Austausch des Maschinenteils im Falle eines Defekts ermöglicht wird.
  • Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer. Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung, in die ein beheizbares Maschinenteil, eine diesem zugeordnete Heizvorrichtung oder ein Modul im erläuterten Sinne aufnehmbar oder daran anschließbar ist und dass mit der Kalibriervorrichtung ein vorschlagsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Vorzugsweise ist die Kalibriervorrichtung mit einem Temperatursensor ausgerüstet und/oder derart ausgebildet, dass einerseits die Temperatur des Maschinenteils mittels eines Sensors bestimmt und andererseits eine Sequenz von unterschiedlichen Primärspannungen in kurzem zeitlichen Abstand zu einander oder nur kurzzeitige Änderungen der Primärspannung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können.
  • Weitere Aspekte, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 das Grundprinzip einer induktiven, hier genau gesagt transformatorischen Beheizung eines Maschinenteils; und
  • 2 das Ersatzschaltbild zu der Anordnung aus 1.
  • 1 zeigt zunächst als Ring angedeutet das induktiv beheizbare Maschinenteil 1, das wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung mit einer Windung wirkt. Es wird mittels des von einer Primärwicklung 2 in einem vorzugsweise geschlossenen Kern 3 erzeugten magnetischen Wechselfelds beheizt. Der Kern 3 könnte auch offen sein. Das Maschinenteil 1 ist hier ruhend dargestellt, es könnte sich vorzugsweise jedoch gegenüber der Primärwicklung 2 bzw. dem Kern 3 auch bewegen, insbesondere drehen. Auch könnte der Kern 3 geteilt sein, wobei sich insbesondere ein Teil des Kerns 3 mit dem Maschinenteil 1 gemeinsam dreht.
  • 2 zeigt ein Ersatzschaltbild mit einer primärseitig anstehenden Heizspannung oder Primärspannung UA, einem äußeren Heizstrom oder einem hierzu korrespondierenden ersten Wert IA, einem primärseitigen ohmschen Widerstand R1, einer Streuinduktivität Lσ, einer Hauptinduktivität LH sowie einem sekundärseitigen ohmschen Widerstand R2, insbesondere also dem ohmschen Widerstand des Maschinenteils 1, und einem sekundärseitig durch den ohmschen Widerstand R2 fließenden Strom I2.
  • Der erste Wert IA ist bevorzugt ein Strom und/oder der zweite Wert UH ist bevorzugt eine Spannung. Die Primärspannung UA kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine mittlere Spannung sein, die insbesondere durch Pulsweitenmodulation des Primär oder Heizstroms IA erzeugt werden kann (oder umgekehrt).
  • Die Streuinduktivität Lσ repräsentiert im vorliegenden Fall primärseitige und sekundärseitige Streueffekte. Insbesondere können im vorliegenden Fall sekundärseitige Streueffekte, die in üblicher Weise durch eine separate Streuinduktivität in Reihenschaltung mit dem sekundärseitigen Widerstand R2 Berücksichtigung finden, vernachlässigt werden. Insbesondere kann eine Vernachlässigung einer sekundärseitigen Streuinduktivität aufgrund des geringen diesbezüglichen Einflusses einer einzelnen Sekundärwindung bzw. des als Sekundärwindung wirkenden Maschinenteils 1 bzw. Heizvorrichtung zulässig sein.
  • Dieses Ersatzschaltbild gemäß 2 verdeutlicht, dass es zweckmäßiger ist, die Spannung UH' an der Hauptinduktivität LH als die Primärspannung UA zu verwenden. Die Eingangsimpedanz des Ersatzschaltbilds gemäß 2 ist abhängig von den Verlusten, insbesondere durch oder repräsentiert durch den primärseitigen Widerstand R1 bzw. die Streuinduktivität Lσ des Ersatzschaltbilds. Folglich ist eine Bestimmung der Temperatur T des Maschinenteils 1 in Abhängigkeit von dieser Impedanz für die praktische Anwendung zu ungenau. Untersuchungen zu Folge ist es wesentlich genauer, die Spannung UH' an der Hauptinduktivität LH zu verwenden, insbesondere da diese zumindest im Wesentlichen von den primärseitigen Verlusten unabhängig ist.
  • Die Hauptinduktivität LH kann bei Vernachlässigung aller Verluste einen unendlich großen Wert annehmen, ist jedoch im Darstellungsbeispiel endlich und vorzugsweise zu berücksichtigen. Im Ersatzschaltbild gemäß 2 ist der Hauptinduktivität LH ein Widerstand RH zugeordnet, der eine Berücksichtigung (ohmscher) Verluste oder dergleichen im Bereich der Hauptinduktivität LH erlaubt.
  • Vorzugsweise ist derselbe magnetische Fluss für eine Induktion in dem Maschinenteil 1 bzw. Heizelement und in einer Hilfswicklung 4 verantwortlich. Diese Bedingung wird im Darstellungsbeispiel vorzugsweise durch Einsatz eines Kerns 3 erfüllt. Die Hilfswicklung 4 ist insbesondere gemeinsam mit dem Maschinenteil 1 auf dem Kern 3 und/oder von der Primärwicklung 2 getrennt realisiert, wie in 1 dargestellt. Messtechnisch kann somit eine zu der Spannung UH' an der Hauptinduktivität LH korrespondierende Spannung bzw. ein zweiter Wert UH mit der Hilfswicklung 4 bestimmt werden.
  • Zur Bestimmung einer Temperatur T des Maschinenteils 1 bzw. Heizelements anhand des Ersatzschaltbildes aus 2 gilt folgendes:
    Der ohmsche Widerstand R2 im Sekundärkreis ist von der Temperatur T des Maschinenteils 1 abhängig. Daraus resultiert, dass im Umkehrschluss aus der Größe des ohmschen Widerstands R2 auf die Temperatur T geschlossen werden schließen kann. Folglich gilt T = fT(R2).
  • Für den Widerstand R2 folgt aus der Kirchhoffschen Knotenregel der Zusammenhang R2 = UH'/I2 mit I2 = IA – IH. Weiter gilt, dass der Strom durch die Hauptinduktivität des Ersatzschaltbilds oder eine hierzu korrespondierende Funktion IH abhängig von der Spannung an der Hauptinduktivität UH' ist. Da der Spannungsabfall an der Hauptinduktivität UH' meist nicht unmittelbar messbar ist, wird in der Praxis die hierzu korrespondierende Spannung UH an der Hilfswicklung 4 verwendet. Es gilt folglich R2 ~ UH/(IA – IH) mit IH = f(UH).
  • In der Praxis kann es sein, dass der Strom durch die Hauptinduktivität und der äußere Heizstrom unterschiedliche Phasenlagen aufweisen, insbesondere zumindest im Wesentlichen bezüglich ihrer Phasenlage senkrecht zueinander stehen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass diese vektoriell subtrahiert werden. Hierbei kann der resultierende Vektor bei geringem Einfluss des Stroms durch die Hauptinduktivität zumindest im Wesentlichen dem ersten Wert IA entsprechen. Im Folgenden werden jedoch mittels der Funktion IH zusätzliche, weitere Effekte berücksichtigt, worauf noch näher eingegangen wird.
  • Wenn also der ohmsche Widerstand R2 des beheizten Maschinenteils 1 bzw. Heizelements in Abhängigkeit von dessen tatsächlicher Temperatur T gemessen wird, kann die erstgenannte Funktion T = fT(R2) errechnet und optional abgespeichert werden, während die zweitgenannte Funktion R2 ~ UH/(IA – IH) errechnet und/oder abgespeichert werden kann, wenn der Strom durch die Hauptinduktivität bzw. die Funktion IH in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an der Hauptinduktivität UH' bzw. der zu der Spannung an der Hilfswicklung 4 korrespondierende zweite Wert UH bestimmt und vorzugsweise abspeichert wird.
  • Die Temperatur lässt sich dann letztlich nach der exakten Formel
    Figure 00130001
    berechnen. Eine vorteilhafte, hinreichend genaue und rechentechnisch günstige Näherung stellt folgende Formel dar:
    Figure 00130002
  • Die Näherung ist beispielsweise ausreichend genau, wenn IH < 0,2·IA gilt. Die Funktion IH = f(UH) bzw. IH = IH1 + IH2 ist vorzugsweise eine nichtlineare Funktion, die insbesondere eine zumindest im Wesentlichen konstante und/oder lineare, insbesondere ohmsche und/oder Streuverluste repräsentierende, erste Komponente IH1 und/oder eine nichtlineare zweite Komponente IH2 aufweist, die vorzugsweise zumindest im Wesentlichen eine nichtlineare Beziehung der Primärspannung UA zum Strom durch die Hauptinduktivität oder zum Wertepaar IA, UH, insbesondere zum zweiten Wert UH, repräsentiert. In diesem Fall kann die Zuordnungsfunktion fT(UH, IA) als
    Figure 00140001
    bestimmt werden. Aufgrund der einfacheren rechentechnischen Umsetzung ist es bevorzugt, die Zuordnungsfunktion fT(UH, IA) durch eine zweite Näherungsfunktion
    Figure 00140002
    zu nähern. Diese Näherung ist beispielsweise ausreichend genau, wenn (IH1 + IH2) < 0,2·IA gilt.
  • Die Spannung an der Hauptinduktivität des Ersatzschaltbilds UH' und der zweite Wert UH, der zu dieser Spannung korrespondiert und vorzugsweise an der Hilfswicklung 4 abgegriffen werden kann, müssen nicht zwingend identisch sein. Diese korrespondieren jedoch zumindest im Wesentlichen zueinander. Aus diesem Zusammenhang folgt, dass bei einer Bestimmung einer ersten Variable A bzw. einer zweiten Variable B einer der obigen Gleichungen ein möglicher Proportionalitätsfaktor o. dgl. zwischen UH und UH' automatisch in die Variablen A, B Eingang findet bzw. automatisch bzw. automatisiert berücksichtigt wird. Insbesondere wird ein mögliches Verhältnis bei der Bestimmung der Variable A im Kalibriervorgang eliminiert oder berücksichtigt und bedarf insbesondere keiner separaten Behandlung bzw. Beachtung. Aus diesem Grund werden Zusammenhänge generell mit dem zweiten Wert UH beschrieben, auch wenn eine Verwendung der Spannung an der Hauptinduktivität UH' alternativ oder zusätzlich möglich ist, insbesondere ohne dass sich wesentliche Änderungen ergeben.
  • Auf die vorschlagsgemäßen Kalibrierverfahren wird im Folgen näher eingegangen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zur Kalibrierung mindestens zwei unterschiedliche Primärspannungen UA an der Primärwicklung 2 angelegt und zu diesen Primärspannungen UA Wertepaare UH, IA bestimmt. Hierbei werden die unterschiedlichen Primärspannungen UA in einem zeitlich kurzen Abstand bzw. nur für kurze Zeit angelegt, vorzugsweise in einem Zeitbereich kleiner als 1 s, vorzugsweise kleiner als 500 ms, insbesondere kleiner 250 ms oder weniger. Es ist möglich, auch mehr als zwei unterschiedliche Primärspannungen UA anzulegen. Es ist bevorzugt, zwischen 3 und 40 unterschiedliche Primärspannungen UA anzulegen, insbesondere zwischen 5 und 20 Primärspannungen UA. Im Darstellungsbeispiel werden 9 unterschiedliche Primärspannungen UA verwendet, die innerhalb 180 ms bis 900 ms, also in einem zeitlichen Abstand oder für eine Zeitspanne von zumindest im Wesentlichen zwischen 20 ms und 100 ms, besonders bevorzugt zumindest im Wesentlichen 40 ms, voneinander an der Primärwicklung 2 angelegt werden. Beispielsweise wird die Primärspannung UA in Bezug auf eine Nennspannung beginnend mit 50% bis 90% und/oder endend mit 110% bis 150% und/oder in Schritten zu 2% bis 20% geändert.
  • Aufgrund des zeitlich kurzen Abstands oder der kurzen Zeit zwischen Änderung der Primärspannungen UA und Messung des zur jeweiligen Primärspannung korrespondierenden Wertepaars UH, IA ändert sich die tatsächliche Temperatur T des Maschinenteils 1 bzw. Heizelements zumindest nicht signifikant. Hierzu trägt die Wärmekapazität des Werkstücks 1 bei, die eine veränderte Energiezufuhr aufgrund einer veränderten Primärspannungen UA erst verzögert und allmählich in eine Temperaturänderung umsetzt. Auf diese Weise können zu unterschiedlichen Primärspannungen UA korrespondierende Wertepaare UH, IA bestimmt werden, die zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur T korrespondieren. Die Temperaturabhängigkeit der Wertepaare UH, IA wird also durch das vorschlagsgemäße Verfahren kompensiert und eine Abhängigkeit des Stroms durch die Hauptinduktivität IL bzw. eine Abhängigkeit der Wertepaare UH, IA, insbesondere des zweiten Werts UH, von der Primärspannung UA kann auf besonders einfache und problemlose Weise, insbesondere automatisch bestimmt werden.
  • Bevorzugt wird die Temperatur T aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils 1 oder Heizelements gewählt, vorzugsweise aus einem Bereich beginnend mit mindestens 50°C und endend mit maximal 250°C, insbesondere 50°C bis 60°C oder 200°C bis 250°C. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Abhängigkeit der Wertepaare UH, IA von den Primärspannungen UA auch für den Regelbetrieb repräsentativ sind. Besonders bevorzugt wird eine mittlere oder Nenntemperatur verwendet, um das vorschlagsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • Aus den zu unterschiedlichen Primärspannungen UA bestimmten Wertepaaren UH, IA kann nun eine Abhängigkeit des ersten Werts IA von dem zweiten Wert UH bestimmt werden, was zu der gesuchten Funktion IH führt. Aufgrund des vorschlagsgemäßen zur Kalibrierung verwendeten Verfahrens werden insbesondere auch nichtlineare Abhängigkeiten von der Primärspannung UA in diesem Zusammenhang berücksichtigt.
  • Als Kalibrierung wird insbesondere die Bestimmung von Parameter wie den Variablen A und B sowie Koeffizienten oder Parameter der Funktion IH bezeichnet, insbesondere wobei Messungen durchgeführt und hieraus die besagten Parameter bestimmt oder berechnet werden.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform werden Spannungen und/oder Ströme in zu diesen korrespondierenden Pulssequenzen umgewandelt. Diese Pulssequenzen werden vorzugsweise derart weiterverarbeitet, dass diese über eine bestimmte Zeitspanne gezählt bzw. integriert werden. Es werden also bevorzugt Zahlenwerte ermittelt, die (jeweils) zu einer Spannung bzw. zu einem Strom bzw. zu einem ersten Wert IA und/oder einen zweiten Wert UH korrespondieren. Weiter ist es besonders bevorzugt, dass die Integration bzw. Mitteilung über 1,5 Perioden bzw. höchstens 6 Perioden, besonders bevorzugt zumindest im Wesentlichen 3 Perioden der Primärspannung UA und/oder eines ersten Werts IA oder zweiten Werts UH entspricht. Beispielsweise werden zu Spannungen und/oder Strömen korrespondierende Pulse über 3 Perioden aufaddiert und diese, insbesondere ganzzahligen, Werte werden, vorzugsweise als erster Wert IA bzw. zweiter Wert UH, zu der beschriebenen Kalibrierung verwendet.
  • Gemäß einem zweiten, auch unabhängig realisierbaren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zur Kalibrierung zwei unterschiedliche Kalibrierschritte verwendet. In einem ersten, einmalig und initial durchgeführten Kalibrierschritt, der insbesondere auch dem zuvor erläuterten Verfahren entsprechen kann, werden unter Vorgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Primärspannungen UA an der Primärwicklung 2 zu diesen korrespondierenden Wertepaare UH, IA zur Bestimmung der vorzugsweise nichtlinearen Funktion IH zur Kompensation eines nichtlinearen Zusammenhangs des ersten Werts IA vom zweiten Wert UH gemessen. Besonders bevorzugt werden die unterschiedlichen Primärspannungen UA in einem zeitlich kurzen Abstand voneinander angelegt, wodurch die unterschiedlichen Wertepaare UH, IA zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur T korrespondieren.
  • Der erste Kalibrierschritt ermöglicht die Bestimmung der Funktion IH, die Untersuchungen zur Folge eine quasi vernachlässigbare Änderung über die Zeit erfährt, insbesondere also von Verschleiß bzw. Alterung kaum abhängt. Aus diesem Grund ist es besonders bevorzugt, dass dieser erste Kalibrierschritt nur einmalig durchgeführt wird, was Zeit und Kosten für eine wiederholte Kalibrierung spart.
  • Weiter ist vorgesehen, dass ein zweiter Kalibrierschritt vorzugsweise fortlaufend oder wiederholt durchgeführt wird, bei dem besonders bevorzugt im Einbauzustand des Maschinenteils 1 oder Heizelements zu unterschiedlichen tatsächlichen Temperaturen T aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich korrespondierende Wertepaare UH, IA zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion fT(UH, IA) gemessen werden.
  • Es versteht sich von selbst, dass vorzugsweise auch jeweils die tatsächlichen Temperaturen T bei einem oder mehreren der Kalibrierschritte gemessen werden, beispielsweise mittels eines Temperatursensors, der zu diesem Zweck mit dem Maschinenteil 1 oder der Heizeinrichtung in Kontakt gebracht werden oder integriert sein kann. Insbesondere wird bei Durchführung des zweiten Kalibrierschritts auch die Temperatur T gemessen, gemeinsam mit den zugeordneten Wertepaaren UH, IA insbesondere in einer Tabelle o. dgl. abgespeichert und ggf. zur Berechnung der Variablen A und B verwendet.
  • Die Variablen A und B werden vorzugsweise abgespeichert. Weiter ist es besonders bevorzugt, dass sich die Temperatur T bzw. die Spannungen und Ströme in einem zumindest im Wesentlichen stationären Zustand befinden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der zweite Kalibrierschritt Rückschlüsse von den Wertepaaren UH, IA auf die tatsächliche Temperatur T erlaubt. Vorzugsweise werden mindestens bei zwei unterschiedlichen tatsächlichen Temperaturen T aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich korrespondierende Wertepaare UH, IA bestimmt. Mit den Ergebnissen ist es möglich, ein Gleichungssystem aufzustellen und derart zu lösen, dass die erste Variable A sowie die zweite Variable B bestimmt werden können.
  • In einer speziellen Ausführungsform ist es möglich, dass zu einer Temperatur T korrespondierende Wertepaare bestimmt werden, wobei die Temperatur T nur zumindest im Wesentlichen konstant ist, insbesondere leichte Schwankungen oder eine leichte Drift aufweist. Hier haben Untersuchungen ergeben, dass die Verwendung einer mittleren Temperatur ausreichend sein kann. Die Verwendung einer mittleren tatsächlichen Temperatur T zur Kalibrierung, insbesondere für einen zweiten Kalibrierschritt, führt zur Vermeidung von Wartezeiten im Zusammenhang mit Einschwingvorgängen der tatsächlichen Temperatur T des Maschinenteils 1.
  • Die Variable A und die Variable B hängen verhältnismäßig stark von Alterungserscheinungen bzw. Verschleiß des Maschinenteils 1 ab. Beispielsweise verändert sich mit der Zeit durch Kristallisationsprozesse oder Verschleißerscheinungen der Widerstand R2. Im dargestellten Beispiel kann es sein, dass das Maschinenteil zumindest teilweise aus Messing besteht. Der ohmsche Widerstand R2 kann sich abrupt, insbesondere durch abrasive Reinigungsprozesse und/oder kontinuierlich, insbesondere durch Kristallisation oder Verschleiß bedingt, ändern. Um hier über die Laufzeit eine ausreichende Genauigkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen zu können, wird vorgeschlagen, den zweiten Kalibrierschritt nicht nur einmalig auszuführen, sondern von Zeit zu Zeit zu wiederholen. Beispielsweise kann bei täglichen, wöchentlichen oder monatlichen Wartungen oder im Zusammenhang mit Reinigungsprozessen der zweite Kalibrierschritt wiederholt und die Variable A sowie die Variable B entsprechend neu berechnet oder korrigiert werden.
  • Wie bereits eingangs erläutert, ist die Funktion IH vorzugsweise nichtlinear und kann insbesondere eine erste Komponente IH1 sowie eine zweite Komponente IH2 aufweisen. Hierbei ist es bevorzugt, dass diese, auch wenn die beiden Komponenten IH1, IH2 auf unterschiedlichen Effekten basieren können, gemeinsam im ersten Kalibrierschritt bestimmt werden. Das vorschlagsgemäße Kalibrierverfahren ist in diesem Zusammenhang zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Effekte geeignet, insbesondere wenn in bevorzugter Weise mindestens drei Wertepaare UH, IA zu unterschiedlichen Primärspannungen UA bestimmt werden. Vorzugsweise werden die zu unterschiedlichen Primärspannungen UA korrespondierenden Wertepaare UH, IA dazu verwendet, eine quadratische Nährung, eine Polygonnäherung, eine polygonähnliche Näherung, eine Spline-Näherung o. dgl. durchzuführen. Vorzugsweise kann IH ein Polygon der Form IH = pU2 H + qUH + r sein, wobei die Koeffizienten p, q und r aus vorzugsweise mindestens drei im ersten Kalibrierschritt gemessenen Wertepaaren UH, IA bestimmt werden können.
  • Bei einer Polygonnäherung werden beispielsweise unterschiedliche Koeffizienten für ein Polygon bestimmt, wobei die unterschiedlichen Terme bzw. Koeffizienten des Polygons zumindest im Wesentlichen unterschiedlichen Effekten zugeordnet sein können. Beispielsweise können konstante und/oder lineare Terme bzw. deren Koeffizienten zu Streuverlusten zugeordnet sein oder diese repräsentieren. Nichtlineare Terme oder deren Koeffizienten können beispielsweise eine nichtlineare Beziehung der Primärspannung UA zum Strom IH durch die Hauptinduktivität, zum zweiten Wert UH und/oder zum ersten Wert IA repräsentieren.
  • In einer Weiterbildung kann alternativ oder zusätzlich zum zweiten Wert UH die Abweichung des zweiten Werts UH von einer Nenngröße UH0 verwendet werden. Die Nenngröße UH0 kann der zweiten Wert UH bei Nennspannung an der Primärwicklung 2 und/oder bei einer mittleren Betriebs- oder Nenntemperatur entsprechen. In diesem fall kann für IH gelten: IL = (pUH – UH0)2 + q(UH – UH0)
  • Eine Bestimmung des Koeffizienten ”r” kann sich also erübrigen, was den Kalibrieraufwand verringert. Wenn die Zuordnungsfunktion fT(UL, IA) bestimmt oder berechnet und vorzugsweise abgespeichert ist, kann betriebsmäßig aus einem Wertepaar UH, IA rechnerisch die Temperatur T des Maschinenteils 1 oder des Heizelements bestimmt werden.
  • Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Modul M mit einem beheizbaren Maschinenteil 1 sowie einer Primärwicklung 2 und einer Hilfswicklung 4, die jeweils induktiv mit dem Maschinenteil 1 oder mit einer diesem zugeordneten Heizeinrichtung gekoppelt sind. Das Modul M ist so konstruiert, dass das Maschinenteil 1, die Primärwicklung 2 und die Hilfswicklung 4 eine bauliche Einheit bilden, die aus einer Maschine entnehmbar oder von dieser abnehmbar ist und in eine Kalibriervorrichtung K einsetzbar oder an diese anschließbar ist.
  • Die Kalibriervorrichtung K ist bevorzugt ein Automat, führt also die zur Kalibrierung notwendigen Schritte automatisiert bzw. selbsttätig aus. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kalibriervorrichtung K eine automatische Steuerung, einen Prozessor o. dgl. aufweist und/oder dass die Kalibrierschritte bzw. Berechnungen vollautomatisch durchgeführt werden. Vorzugsweise ist dem Modul M ein Speicher zugeordnet oder das Modul M weist einen Speicher auf, in welchem Parameter bzw. Variablen, insbesondere Variablen A und/oder B bzw. Koeffizienten t, q bzw. r, insbesondere vollautomatisch und/oder durch die Kalibriervorrichtung K abgelegt werden können.
  • Durch die Verwendung des Moduls M kann einerseits eine ausgesprochen hohe Zuverlässigkeit der Kalibrierung gewährleistet werden, insbesondere wenn der erste Kalibrierschritt mit einer hierfür speziell ausgerüsteten Kalibriervorrichtung durchgeführt wird. Eine nachträgliche Änderung der Eigenschaften und eine hiermit verbundenen Änderung der Funktion IH kann wirksam verhindert werden, indem die relevanten Komponenten im Modulverbund verwendet werden. Zudem erleichtert die Verwendung eines Moduls M eine schnelle und einfache Austauschbarkeit des Maschinenteils 1 im Fehlerfall.
  • Die Kalibriervorrichtung K ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein beheizbares Maschinenteil 1, eine diesem zugeordnete Heizeinrichtung oder ein Modul M aufnehmbar oder anschließbar ist. Weiter ist sie besonders bevorzugt dazu ausgebildet, ein Verfahren gemäß einem der zuvor beschriebenen Aspekte, insbesondere automatisch oder vollautomatisch, durchzuführen. Insbesondere ist es also bevorzugt, dass die Kalibriervorrichtung K, die auch unabhängig realisierbar ist, dazu ausgebildet ist, unterschiedliche Primärspannungen UA in einem zeitlich kurzen Abstand im eingangs erläuterten Sinne zu erzeugen. Hierzu kann die Kalibriervorrichtung K einen entsprechenden Signalgenerator aufweisen, der vorzugsweise schnelle Amplitudensprünge, insbesondere dem Maschinenteil 1 entsprechend, vorzugsweise hoher Leistungsabgabe, ermöglicht. Es ist möglich, dass die Kalibriervorrichtung K initial nicht nur einen ersten, sondern in der grundlegenden Kalibrierung auch ein erstes Mal einen zweiten Kalibrierschritt durchführt. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass folgende bzw. weitere zweite Kalibrierschritte im Einbauzustand des Maschinenteils 1, des Heizelements oder des Moduls M durchgeführt werden.
  • Es ist möglich, den ersten und zweiten Kalibrierschritt miteinander zu vertauschen, also zuerst die Messung zur Bestimmung der Variablen A und B und erst danach die Messungen zur Bestimmung von IH durchzuführen. Insbesondere bei einer initialen Durchführung des ersten und zweiten Kalibrierschritts ist es bevorzugt, zuerst den zweiten Kalibrierschritt und erst danach den ersten Kalibrierschritt durchzuführen. Eine umgedrehte Reihenfolge ist jedoch auch möglich. Insbesondere kann vorgesehen sein, zuerst die Variablen A und B zu berechnen und erst danach die Funktion IH zu berechnen. Die Bestimmung der Variablen A und B sowie der Funktion IH kann jedoch auch gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge erfolgen.
  • In einem weiteren Beispiel werden die ersten und zweiten Kalibrierschritte verschachtelt. Beispielsweise werden zuerst Messungen bis zur Nenntemperatur gemäß einem zweiten Kalibrierschritt, danach ein erster Kalibrierschritt und im Folgenden die restlichen Messvorgänge im Zusammenhang mit dem zweiten Kalibrierschritt durchgeführt.
  • Die Kalibriervorrichtung kann einen Temperatursensor 5 aufweisen, der eine Steuerung und/oder Kontrolle der Temperatur T zu Kalibrierzwecken ermöglicht. Weiter kann die Kalibriervorrichtung K Anschlüsse 6 aufweisen, um die Primärwicklung 2 und/oder die Hilfswicklung 4 zu kontaktieren.
  • Im Darstellungsbeispiel ist das Maschinenteil 1 vorzugsweise eine Galette oder eine beheizte Führungsrolle. Diese wird insbesondere in der Kunststoffverarbeitung, insbesondere in der Herstellung von Kunstfasern verwendet. Die Erfindung bezieht sich also insbesondere auf eine derartige Galette. Es sind jedoch auch andere Anwendungsbereiche möglich.
  • Vorzugsweise ist das Maschinenteil 1 mit seinem Heizer als Modul M ausgeführt und wird an die Kalibriervorrichtung K angeschlossen. Die Kalibriervorrichtung K ist als Automat ausgebildet, kann also die Kalibriermessungen automatisiert, insbesondere mit einem Programm o. dgl. ausführen.
  • Zuerst werden zu zwei unterschiedlichen Temperaturen T, beispielsweise 200°C und 250°C, korrespondierende Wertepaare UH, IA gemessen, um die Variablen A und B bestimmen zu können. Beispielsweise wird die Temperatur T des Maschinenteils 1 mittels des Temperatursensors 5 gemessen und die Primärspannung UA oder deren Mittelwert jeweils so lange nachgeführt, bis die entsprechende Temperatur T oder ein gewisser Toleranzbereich, insbesondere bei oder um ein Mittelwert, erreicht ist. Insbesondere kann der Mittelwert der Primärspannung UA durch Pulsweitenmodulation des zum ersten Wert IA korrespondierenden Primär- oder Heizstroms und/oder der Heiz- oder Primärspannung eingestellt werden.
  • Danach wird das Maschinenteil 1 auf einer mittleren Temperatur, beispielsweise zwischen 50°C und 400°C, insbesondere auf zumindest im Wesentlichen 220°C, gehalten und die Primärspannung UA wird innerhalb von weniger als 1 s, vorzugsweise 500 ms oder weniger, von 80% bis 120% der Netzspannung oder Nennspannung an der Primärwicklung 2, inbesondere in Schritten zu 5%, geändert. Vorzugsweise werden jeweils korrespondierende Wertepaare UH, IA gemessen, aus denen dann die Funktion IH bestimmt werden kann.
  • Eine Bestimmung, Berechnung oder Korrektur der Variablen A und B kann dann durch Messungen von mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen T und zu diesen korrespondierenden Wertepaaren UH, IA, erfolgen, und zwar bevorzugt eingangs mit der Kalibriervorrichtung und/oder im weiteren Betrieb vorzugsweise im Einbauzustand des Moduls M und/oder nach erfolgter Reinigung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Maschinenteil
    2
    Primärwicklung
    3
    Kern
    4
    Hilfswicklung
    5
    Temperatursensor
    6
    Kontakte
    IA
    zweiter Wert
    I2
    Strom
    IH
    Funktion
    K
    Kalibriervorrichtung
    M
    Modul
    UA
    Primärspannung
    UH
    erster Wert
    UH'
    Spannung
    LH
    Hauptinduktivität
    Lσ
    Streuinduktivität
    p
    Koeffizient
    q
    Koeffizient
    r
    Koeffizient
    R1
    primärseitiger ohmschen Widerstand
    R2
    ohmscher Widerstand des Maschinenteils
    RH
    Widerstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3432824 A1 [0003]
    • DE 4024432 C2 [0009]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur (T) eines induktiv beheizten Maschinenteils (1), wobei die Beheizung des Maschinenteils (1) oder eines Heizelements im oder am Maschinenteil (1) mittels eines von einer Primärwicklung (2) erzeugten magnetischen Wechselfelds erfolgt, wobei ein zu einem durch die Primärwicklung (2) fließenden Strom korrespondierender erster Wert (IA) gemessen wird und ein zu einer in dem Maschinenteil (1) oder dem Heizelement induzierten Spannung korrespondierender zweiter Wert (UH) gemessen wird, wobei jeweils ein erster Wert (IA) und zweiter Wert (UH) ein Wertepaar (UH, IA) bilden und wobei die Temperatur (T) des Maschinenteils (1) oder Heizelements betriebsmäßig über eine Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung bzw. Bestimmung der Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) mindestens zwei unterschiedliche Primärspannungen (UA) an der Primärwicklung (2) in einem zeitlich kurzen Abstand und/oder nur kurzzeitig angelegt werden und zu diesen Primärspannungen (UA) Wertepaare (UH, IA) bestimmt werden, wobei diese Wertepaare (UH, IA) zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur (T) aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils (1) oder Heizelementes korrespondieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zu unterschiedlichen Primärspannungen (UA) und zumindest im Wesentlichen zu derselben tatsächlichen Temperatur (T) korrespondierenden Wertepaaren (UH, IA) eine vom zweiten Wert (UH) abhängige, nichtlineare Funktion (IH) aus der Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) bestimmt wird, vorzugsweise wobei die Funktion (IH) einer Differenz aus erstem Wert (IA) und einem Strom (I2) durch einen ohmschen Widerstand (R2) des Maschinenteils (1) oder Heizelements entspricht.
  3. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur (T) eines induktiv beheizten Maschinenteils (1), insbesondere gemäß Anspruch 1, wobei die Beheizung des Maschinenteils (1) oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil (1) mittels eines von einer Primärwicklung (2) erzeugten magnetischen Wechselfelds erfolgt, wobei ein zu einem durch die Primärwicklung (2) fließenden Strom korrespondierender erster Wert (IA) gemessen wird und ein zu einer in dem Maschinenteil (1) oder dem Heizelement induzierten Spannung korrespondierender zweiter Wert (UH) gemessen wird, wobei jeweils ein erster Wert (IA) und zweiter Wert (UH) ein Wertepaar (UH, IA) bilden und wobei die Temperatur (T) des Maschinenteils (1) oder Heizelements betriebsmäßig über eine Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zwei unterschiedliche Kalibrierschritte zur Bestimmung der Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) aufweist, wobei in einem einmalig und/oder initial durchgeführten, ersten Kalibrierschritt unter Vorgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Primärspannungen (UA) an der Primärwicklung (2) zu diesen korrespondierende Wertepaare (UH, IA) bei zumindest im Wesentlichen derselben tatsächlichen Temperatur (T) gemessen werden, und wobei in einem wiederholt oder fortlaufend durchgeführten, zweiten Kalibrierschritt vorzugsweise im Einbauzustand des Maschinenteils (1) oder Heizelements zu unterschiedlichen tatsächlichen Temperaturen (T) aus dem betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich korrespondierende Wertepaare (UH, IA) gemessen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den im ersten Kalibrierschritt gemessenen Wertepaaren (UH, IA) eine vom zweiten Wert (UH) abhängige, nichtlineare Funktion (IH) der Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) bestimmt wird, vorzugsweise wobei die Funktion (IH) zumindest im Wesentlichen einer Differenz aus erstem Wert (IA) und einem Strom (I2) durch einen ohmschen Widerstand (R2) des Maschinenteils (1) oder Heizelements entspricht.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus zu unterschiedlichen tatsächlichen Temperaturen (T) korrespondierenden Wertepaaren (UH, IA) eine erste Variable (A) und eine zweite Variable (B) der Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) bestimmt werden, wobei die erste Variable (A) die relative Abhängigkeit der Temperatur (T) vom Quotienten aus zweitem Wert (UH) und erstem Wert (IA) beschreibt und wobei die zweite Variable (B) eine absolute Abhängigkeit des Widerstands (R2) von der Temperatur (T) repräsentiert.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Temperatur (T) aus Wertepaaren (UH, IA) die Zuordnungsfunktion (fT(UH, LA))
    Figure 00270001
    verwendet wird, vorzugsweise wobei die Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) durch eine Näherungsfunktion
    Figure 00270002
    genähert wird.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die nichtlineare Funktion (IH) aus einer zumindest im Wesentlichen konstanten und/oder linearen, insbesondere Streuverluste repräsentierenden, ersten Komponente (IH1) und einer nichtlinearen, insbesondere eine nichtlineare Beziehung der Primärspannung (UA) zum ersten Wert (IA) repräsentierende, zweite Komponente (IH2) aufweist, vorzugsweise wobei die Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) der Form
    Figure 00270003
    bestimmt wird, insbesondere wobei die Zuordnungsfunktion (fT(UH, IA)) durch eine zweite Näherungsfunktion
    Figure 00280001
    genähert wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert (IA) ein Strom ist und/oder dass der zweite Wert (UH) eine Spannung ist.
  9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert (UH) mittels einer induktiv mit dem Maschinenteil oder dem Heizelement gekoppelten Hilfswicklung (4) bestimmt wird, insbesondere wobei der zweite Wert (UH) einer Spannung an der Hilfswicklung (4) entspricht.
  10. Modul mit einem beheizbaren Maschinenteil (1) sowie mit einer Primärwicklung (2) und einer Hilfswicklung (4), die jeweils induktiv mit dem Maschinenteil (1) oder mit einer diesem zugeordneten Heizeinrichtung gekoppelt sind, wobei das Maschinenteil (1), die Primärwicklung (2) und die Hilfswicklung (4) eine bauliche Einheit bilden, die aus einer Maschine entnehmbar oder von dieser abnehmbar ist und in eine Kalibriervorrichtung (K) einsetzbar oder an diese anschließbar und mittels dieser kalibrierbar ist, insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Kalibriervorrichtung (K), wobei ein beheizbares Maschinenteil (1), eine diesem zugeordnete Heizeinrichtung oder ein Modul (M) gemäß Patentanspruch 10 aufnehmbar oder anschließbar ist und dass mit der Kalibriervorrichtung (K) ein Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 9 durchführbar ist.
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