DE102012005414A1 - Method for automatic detection of phase transformation of material caused by basic power conversion, involves determining and computationally evaluating transfer function without determining absolute value of power and material temperature - Google Patents

Method for automatic detection of phase transformation of material caused by basic power conversion, involves determining and computationally evaluating transfer function without determining absolute value of power and material temperature Download PDF

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Abstract

The method involves detecting temperature gradient in material. Power applied to the material is modulated with an offset-free signal, for changing the temperature gradient with a mathematical model for description of a transfer function between a parameter proportional to change of the power and resultant relative change in temperature in a solid or liquid phase. The transfer function is determined and computationally evaluated without determining an absolute value of the heating power applied into the material and material temperature.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Detektion einer Phasenumwandlung mit Energieumsatz, sowie deren Verwendung.The present invention relates to a method for automatically detecting a phase transformation with energy conversion, and their use.

Viele Phasenübergänge von Materialien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer diskreten Umwandlungstemperatur Tph stattfinden, dass die Temperatur im Material während der Phasenumwandlung nahezu konstant bleibt und dass ein signifikanter Energieumsatz während der Phasenumwandlung vorliegt. Diese umgesetzte latente Wärme kann beim Aufheizen zu- oder beim Abkühlen des Materials auch abgeführt werden. Die Phasenumwandlung kann dabei ein struktureller Wechsel zwischen der festen, flüssigen oder gasförmigen Phase eines Materials, aber auch eine fest-fest Kristallumwandlung sein. Die Detektion dieser Umwandlung kann auf Basis einer messtechnischen Erfassung z. B. des Temperaturverlaufs T(t) im Material, seiner Wärmekapazität cp(t) oder seiner Volumenänderung dV(t) durch eine anschließende manuelle Auswertung der Messdaten erfolgen.Many phase transitions of materials are characterized by taking place at a discrete transition temperature T ph , that the temperature in the material remains nearly constant during the phase transformation, and that there is significant energy turnover during the phase transformation. This converted latent heat can also be dissipated during heating or during cooling of the material. The phase transformation may be a structural change between the solid, liquid or gaseous phase of a material, but also a solid-solid crystal transformation. The detection of this conversion can be based on a metrological detection z. B. the temperature profile T (t) in the material, its heat capacity c p (t) or its volume change dV (t) by a subsequent manual evaluation of the measured data.

Da in industriellen Prozessen, wie z. B. bei der in-situ-Kalibrierung von Thermometern mit miniaturisierten Fixpunktzellen (MFPZ) ( DE 19941731 A1 ), oder der Gießereitechnik, eine robuste automatische Detektion einer Phasenumwandlung einerseits die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöht, andererseits aber auch zeitliche und finanzielle Einsparungen durch reduzierten Personaleinsatz bewirkt, ist eine automatische Erkennung der Phasenumwandlung zu bevorzugen.Since in industrial processes, such. B. in the in-situ calibration of thermometers with miniaturized fixed point cells (MFPZ) ( DE 19941731 A1 ), or the foundry technique, a robust automatic detection of a phase transformation on the one hand increases the reproducibility of the results, on the other hand, but also saves time and money by reduced personnel deployment, an automatic detection of the phase transformation is preferable.

Im Folgenden werden einige Verfahren aus verschiedenen Bereichen der Technik erläutert, die in Spezialfällen zur automatischen Detektion einer Phasenumwandlung genutzt werden können:
In der Gießereitechnik und Metallurgie ist es notwendig, Schmelz- oder Erstarrungsvorgänge zu detektieren. in DE 3505346 A1 wird dazu beispielsweise die zeitliche Temperaturänderung dT/dt vor, während und nach der Phasenumwandlung bestimmt und daraus auf den Zustand der Schmelze geschlossen. Dieses Verfahren hat den entscheidenden Nachteil, dass sich Störungen und Rauschen des Messsignals direkt auf den Anstieg dT/dt auswirken und somit das Entscheidungskriterium beeinflussen.In the following, some methods from different areas of technology are explained, which can be used in special cases for the automatic detection of a phase transformation:
In foundry technology and metallurgy it is necessary to detect melting or solidification processes. in DE 3505346 A1 For this purpose, for example, the temporal temperature change dT / dt before, during and after the phase transformation is determined and deduced therefrom on the state of the melt. This method has the decisive disadvantage that disturbances and noise of the measurement signal have a direct effect on the increase dT / dt and thus influence the decision criterion.

Ein zur Kalibrierung von Thermometern benutztes Verfahren zur Phasenumwandlungsdetektion durch Messung des Volumens von Schmelz- und Festphasen während der Phasenumwandlung wird mit der DE 256915 A1 vorgestellt. Dieses kann auch zur Regelung der Phasenumwandlungstemperatur genutzt werden. Hierbei ist nachteilig, dass das Verfahren nicht universell einsetzbar und eine korrekte Volumenmessung sowie die daraus folgende Bestimmung der Phasenanteile nur in spezialisierten Aufbauten möglich ist. In kontinuierlich arbeitenden Prozessen mit veränderlichen Probenmengen oder variierender Menge in der Probe eingeschlossenen Gases, wie sie beispielsweise im Gießereiwesen vorkommen, ist eine solche Einrichtung nicht verwendbar.A phase change detection method used to calibrate thermometers by measuring the volume of melt and solid phases during phase transformation is described in US Pat DE 256915 A1 presented. This can also be used to control the phase transition temperature. A disadvantage here is that the method is not universally applicable and a correct volume measurement and the consequent determination of the phase components is possible only in specialized structures. In continuous processes with variable amounts of sample or varying amount of gas trapped in the sample, such as those found in foundries, such a device can not be used.

Weiterhin existieren auch mechanische Verfahren die zur Bestimmung des Gelierungszustandes oder der Viskosität eines Materials verwendet werden. Sie können jedoch auch zur Detektion des Phasenüberganges fest-flüssig bzw. flüssig-fest eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Verfahren besteht jedoch in dem direkten Eingriff in die Phasenumwandlungssubstanz durch Rührelemente ( DE 2112055 ) oder Federspannvorrichtungen ( DE 847076 ).Furthermore, there are also mechanical methods used to determine the gelation state or the viscosity of a material. However, they can also be used for detecting the phase transition solid-liquid or liquid-solid. The disadvantage of these methods, however, is the direct intervention in the phase change substance by stirring elements ( DE 2112055 ) or spring tensioning devices ( DE 847076 ).

Abweichend von diesen Verfahren werden im Bereich der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) und der Differential-Thermoanalyse (DTA) neben unterschiedlichen kalorischen Größen auch Phasenumwandlungstemperaturen von Materialien bestimmt. Hierbei werden ein Referenzmaterial oder Referenzobjekt und das zu untersuchende Material (Probe) gemeinsam temperiert. Mit Hilfe von mindestens zwei Temperatursensoren werden die während der Temperierung auftretenden Temperatur- (DTA) oder Wärmestromdifferenzen (DSC) zwischen Referenz und Probe erfasst und daraus Phasenumwandlungstemperaturen oder charakteristische Größen ermittelt. Da bei muss ein definierter Wärmetransport zum Probenmaterial erfolgen, was beispielsweise durch symmetrischen Aufbau der Untersuchungskammer wie in Dixon et al. Analytical Biochemistry, Vol. 121, Iss. 1, pp. 55–61 erreicht wird. Ebenfalls möglich ist eine adiabatische Temperierung ( US 4 130 016 ), Homogenisierung der Umgebungstemperatur oder Vorgabe definierter Wärmeflusspfade ( DE 600 24 774 T2 ).In contrast to these methods, in the field of differential scanning calorimetry (DSC) and differential thermal analysis (DTA), in addition to different caloric quantities, phase transition temperatures of materials are also determined. In this case, a reference material or reference object and the material to be examined (sample) are tempered together. With the aid of at least two temperature sensors, the temperature (DTA) or heat flow differences (DSC) occurring during the temperature control are recorded between the reference and the sample and the phase transformation temperatures or characteristic values are determined therefrom. Since there must be a defined heat transfer to the sample material, which, for example, by symmetrical structure of the examination chamber as in Dixon et al. Analytical Biochemistry, Vol. 121, Iss. 1, pp. 55-61 is reached. Also possible is an adiabatic temperature control ( US 4,130,016 ), Homogenization of the ambient temperature or specification of defined heat flow paths ( DE 600 24 774 T2 ).

Durch Definition eines Wärmeflusspfades kann in US 6 318 890 B1 auf die Verwendung einer Referenzprobe verzichtet werden, jedoch ist hier auch die Bestimmung einer Temperaturdifferenz zwingend.By defining a heat flow path, in US Pat. No. 6,318,890 B1 to dispense with the use of a reference sample, but here, the determination of a temperature difference is mandatory.

Bei der Temperierung werden üblicherweise auch Verfahren der Temperatur-, Änderungsraten- oder Wärmestrommodulation eingesetzt. Aus DE 699 03 730 T2 ist ein Verfahren mit stochastischer Modulation des Wärmeeintrags, aus US 6 318 890 B1 ein Verfahren mit offsetfreier Modulation, aus DE 600 24 774 T2 ein Verfahren mit periodischer Modulation und aus DE 693 06 018 ein Verfahren mit Entfaltung von Grund- und Wechselanteil bekannt. In the case of temperature control, methods of temperature, change rate or heat flow modulation are usually also used. Out DE 699 03 730 T2 is a method with stochastic modulation of heat input, from US Pat. No. 6,318,890 B1 a method with offset-free modulation, off DE 600 24 774 T2 a method with periodic modulation and off DE 693 06 018 a method with unfolding of base and Wechselanteil known.

Die aus dem Stand der Technik bekannten kalorimetrischen Verfahren nutzen die Aufstellung einer funktionellen Beziehung zwischen den Wärmefluss- und Temperatursignalen und funktionieren daher ausschließlich mit der differentiellen Erfassung der Temperatur mittels mindestens zweier Thermometer und der Kenntnis der in die Probe oder Referenz fließenden Wärmeströmen. Da bestehende Prozess- oder Ofenaufbauten typischerweise keine Temperaturdifferenzerfassung und Wärmestrombestimmung enthalten, sind sie für DTA- oder DSC-Verfahren nicht geeignet.The calorimetric methods known from the prior art make use of the establishment of a functional relationship between the heat flow and temperature signals and therefore function exclusively with the differential detection of the temperature by means of at least two thermometers and the knowledge of the heat flows flowing into the sample or reference. Since existing process or furnace assemblies typically do not include differential temperature sensing and heat flow determination, they are not suitable for DTA or DSC processes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die automatisierbare und damit prozessfähige Detektion der Phasenumwandlung unterschiedlicher technisch genutzter Materialen, ohne zusätzlichen mechanischen Eingriff in den zu untersuchenden Prozess und unter Nutzung vorhandener Prozess- und Ofenaufbauten ohne zusätzliche Modifikation realisiert werden kann, wobei nur ein Thermometer verwendet wird, die Umgebungstemperatur nicht konstant gehalten werden braucht und der Wärmefluss in das zu untersuchende Material sowie der Temperaturgradient nicht bestimmt werden müssen.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method with which the automatable and thus processable detection of the phase transformation of different technically used materials, without additional mechanical intervention in the process to be investigated and using existing Process and furnace structures can be implemented without additional modification, with only a thermometer is used, the ambient temperature does not need to be kept constant and the heat flow into the material to be examined and the temperature gradient need not be determined.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet. Während eine mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Patentanspruch 8 angegeben ist.According to the invention, this object is achieved by the features of the first claim. Preferred further embodiments of the method according to the invention are characterized in the claims 2 to 7. While a possible use of the method according to the invention is specified in the patent claim 8.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings will be explained in more detail. It shows:

1 – prinzipielle erfindungsgemäße Vorrichtung 1 - Principle device according to the invention

2 – Offseffreier periodischer Doppelpuls als Beispiel für ein Modulationssignal 2 Off-periodic double pulse as an example of a modulation signal

3 – Schnittdarstellung einer Miniaturfixpunktzelle (MFPZ) mit Thermoelement (Quelle: Bernhard, F; Boguhn, D.; Augustin, S.; Mammen, H.; Donin, A.: APPLICATION OF SELF-CALIBRATING THERMOCOUPLES WITH MINIATURE FIXED-POINT CELLS IN A TEMPERATURE RANGE FROM 500°C TO 650°C IN STEAM GENERATORS, In: Ilic, D. (Hrsg.): IMEKO 2003, Dubrovnik: International Measurement Confederation Hrvatsko, 2003 ) 3 - Sectional view of a miniature fixed point cell (MFPZ) with thermocouple (Source: Bernhard, F .; Boguhn, D .; Augustin, S .; Moms, H .; Donin, A .: APPLICATION OF SELF-CALIBRATING THERMOCOUPLES WITH MINIATURE FIXED-POINT CELLS IN A TEMPERATURE RANGE FROM 500 ° C TO 650 ° C IN STEAM GENERATORS, In: Ilic, D. (ed.): IMEKO 2003, Dubrovnik: International Measurement Confederation Hrvatsko, 2003 )

4 – Ermitteln der Thermospannung am Temperaturfixpunkt einer MFPZ Mittels Geradenapproximation (Quelle: Bernhard, F.; Augustin, S.; Mammen, H.: APPLICATION OF SELF-CALIBRATING THERMOMETERS WITH MINIATURE FIXED-POINT CELLS IN A TEMPERATURE RANGE FROM 300°C TO 650°C, In: ZVIZDIC, D. (Hrsg.): TEMPMEKO 2004, Zagreb: University of Zagreb, FSB, 2004, S. 1285 ff. ) 4 - Determining the thermoelectric voltage at the temperature point of a MFPZ by means of straight line approximation (source: Bernhard, F .; Augustin, S .; Mammen, H .: APPLICATION OF SELF-CALIBRATING THERMOMETERS WITH MINIATURE FIXED-POINT CELLS IN A TEMPERATURE RANGE FROM 300 ° C TO 650 ° C, In: ZVIZDIC, D. (ed.): TEMPMEKO 2004, Zagreb: University of Zagreb, FSB, 2004, p. 1285 ff. )

5 – Stellleistung einer in eine MFPZ integrierten Heizung mit aufmoduliertem Signal und gemessener Temperaturverlauf im Fixpunktmaterial 5 - Actuating power of a built-in MFPZ heating with aufmoduliertem signal and measured temperature profile in the fixed point material

6 – Ausschnitt aus 5 – Aufheizphase des Fixpunktmaterials im festen Zustand 6 - Extract from 5 - Heating phase of the fixed point material in the solid state

7 – Gegenüberstellung des gemessenen und des mit einem Modell ermittelten Temperaturverlaufes 7 - Comparison of the measured and the determined with a model temperature profile

8 – graphische Darstellung des Verhältnisses der Doppelpulsmodelle zu der gemessenen Temperatur 8th - Graphical representation of the ratio of the double pulse models to the measured temperature

9 – graphische Darstellung der ermittelten Fixpunkttemperatur Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Detektion einer Phasenumwandlung ist ein bestehender Prozessaufbau, in welchem die thermisch induzierte Phasenumwandlung generiert wird (1). Dies kann zum Beispiel ein metallurgischer Ofen oder ein Fixpunktzellenofen sein. Hierbei spielt es keine Rolle, auf welche Art der zur Phasenumwandlung nötige Leistungseintrag in das zu untersuchende Material erfolgt (z. B. induktive Heizung, Widerstandsheizung). Die Detektion der Phasenumwandlung basiert auf einer gezielten Modulation der Heizleistung und der Erfassung deren Auswirkung auf die Temperatur des zu untersuchenden Materials. Deshalb müssen zusätzlich zum Ofen eine Einrichtung zum Erzeugen der Modulation der Heizleistung und ein Thermometer zum Erfassen der Temperatur bereitgestellt werden. Im günstigsten Fall sind diese bereits im bestehenden Ofenaufbau vorhanden (1). Die Verarbeitung des Thermometersignals, die Datenverarbeitung und die Ansteuerung der Modulationseinrichtung werden beispielsweise von einem Computer übernommen, der gleichzeitig die Schnittstelle zum Bediener darstellt. 9 - Graphical representation of the determined fixed point temperature The basis for the method according to the invention for the automatic detection of a phase transformation is an existing process structure in which the thermally induced phase transformation is generated ( 1 ). This may be, for example, a metallurgical furnace or a fixed point cell furnace. In this case, it does not matter in which way the power input necessary for the phase transformation takes place into the material to be examined (eg inductive heating, Resistance heating). The detection of the phase transformation is based on a targeted modulation of the heating power and the detection of their effect on the temperature of the material to be investigated. Therefore, in addition to the furnace, means for generating the modulation of the heating power and a thermometer for detecting the temperature must be provided. In the best case, these are already present in the existing furnace structure ( 1 ). The processing of the thermometer signal, the data processing and the control of the modulation device are, for example, taken over by a computer, which also represents the interface to the operator.

Das bei einer Phasenumwandlung entstehende Plateau im zeitlichen Temperaturverlauf resultiert aus dem Energieumsatz im Material während der Änderung des Aggregatzustandes. Beispielsweise wird für den Phasenübergang von fest nach flüssig die so genannte Schmelzwärme benötigt. Im umgekehrten Fall wird die Erstarrungswärme freigesetzt. Das hat zur Folge, dass kleinere äußere Temperaturschwankungen, bzw. Temperaturstörungen, keinen Einfluss auf die Temperatur des Plateauverlaufs haben. Diese Eigenschaft kann man zur Detektion der Phasenumwandlung nutzen.The resulting in a phase transformation plateau in temporal temperature profile results from the energy conversion in the material during the change of state of aggregation. For example, the so-called heat of fusion is required for the phase transition from solid to liquid. In the opposite case, the solidification heat is released. This has the consequence that smaller external temperature fluctuations, or temperature disturbances, have no influence on the temperature of the plateau course. This property can be used to detect the phase transformation.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die zur Phasenumwandlung benötigte Energie, im einfachsten Fall eine Heizenergie, gezielt zu modulieren und die Auswirkung dieser Modulation auf den Temperaturverlauf ohne Ermittlung der in das Phasenumwandlungsmaterial eingetragenen Leistung auszuwerten. Um den Absolutwert der Temperatur nicht zu beeinflussen, kommt hierbei ein offsetfreies Modulationssignal der Heizleistung zum Einsatz. Dies könnte z. B. ein periodischer Doppelpuls, wie in 2 dargestellt, sein. Prinzipiell ist aber jede beliebige Signalform möglich, die eine auswertbare Temperaturänderung außerhalb der Phasenumwandlung hervorruft. Wird ein solches Signal auf das Leistungs-Nutzsignal aufmoduliert, ruft es eine entsprechende Temperaturänderung im Material hervor.The basic idea of the present invention is to specifically modulate the energy required for the phase transformation, in the simplest case a heating energy, and to evaluate the effect of this modulation on the temperature profile without ascertaining the power introduced into the phase transformation material. In order not to influence the absolute value of the temperature, an offset-free modulation signal of the heating power is used here. This could be z. B. a periodic double pulse, as in 2 be represented. In principle, however, any signal shape is possible which causes an evaluable temperature change outside the phase transformation. If such a signal is modulated onto the useful power signal, it causes a corresponding temperature change in the material.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion der Phasenumwandlung anhand der Messergebnisse an einer Miniatur-Fixpunktzelle (3) ausführlicher beschrieben. Dazu wird zunächst die Technologie der Fixpunktzellen erläutert. Eine präzise Kalibrierung von berührend messenden Thermometern und Strahlungsthermometern erfolgt an bekannten primären Phasenumwandlungstemperaturen, also Schmelz-, Erstarrungs- oder Tripelpunkttemperaturen hochreiner Substanzen, die mit Hilfe von so genannten Fixpunkteinrichtungen realisiert werden [ PRESTON-THOMAS, H.; The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90). In: Metrologia 27 (1990), S. 3–10 ]. Unabhängig vom Funktionsprinzip des zu kalibrierenden Thermometers ist der Aufbau einer solchen Fixpunkteinrichtung im Allgemeinen ähnlich. Sie besteht im Wesentlichen aus einem technischen Gefäß, meistens Fixpunktzelle oder Fixpunktstrahler genannt, in welchem sich die zur Phasenumwandlung gebrachte Fixpunktsubstanz, z. B. Metalle, Metall-Legierungen, Metall-Kohlenstoff-Eutektika, Wasser oder weitere Reinst-Elemente, befindet. Die Fixpunktzellen sind häufig aus Grafit, Glas, Keramik oder auch Edelstahl gefertigt, wobei die Materialwahl von der verwendeten Fixpunktsubstanz abhängt. Die Fixpunktzelle selbst befindet sich in einem Ofen, Thermostaten, Kryostaten oder einer vergleichbaren Temperiereinrichtung, mit der die Zelle über die Phasenumwandlungstemperatur Tph der Fixpunktsubstanz aufgeheizt und unter Tph abgekühlt werden kann, um die Phasenumwandlung selbst auszulösen.In the following, the method according to the invention for detecting the phase transformation on the basis of the measurement results on a miniature fixed-point cell ( 3 ) described in more detail. First, the technology of fixed point cells will be explained. A precise calibration of contact-measuring thermometers and radiation thermometers takes place at known primary phase transition temperatures, ie melting, solidification or triple point temperatures of highly pure substances, which are realized with the aid of so-called fixed-point devices [ PRESTON-THOMAS, H .; The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90). In: Metrologia 27 (1990), pp. 3-10 ]. Regardless of the operating principle of the thermometer to be calibrated, the construction of such a fixed point device is generally similar. It consists essentially of a technical vessel, usually called fixed-point cell or fixed point radiator, in which the brought to the phase transformation fixed-point substance, for. As metals, metal alloys, metal-carbon eutectics, water or other high-purity elements, is located. The fixed point cells are often made of graphite, glass, ceramic or stainless steel, the choice of material depends on the used Fixpunktsubstanz. The fixed-point cell itself is located in an oven, thermostats, cryostats or a comparable tempering device with which the cell can be heated above the phase transition temperature T ph of the fixed-point substance and cooled below T ph in order to initiate the phase transformation itself.

Das zu kalibrierende Thermometer wird im Falle berührend messender Thermometer in die im Ofen befindliche Fixpunktzelle gesteckt und bei berührungslos messenden Thermometern auf den Fixpunktstrahler im Ofen ausgerichtet, sodass das Thermometer die Temperatur im Inneren der Zelle messen kann. Während einer Phasenumwandlung der Fixpunktsubstanz bleibt diese Temperatur nahezu konstant. Im vom Thermometer detektierten Temperaturverlauf bildet sich dadurch ein Plateau der Temperatur Tph heraus, an welchem das Thermometer kalibriert werden kann. Diese Fixpunkteinrichtungen werden häufig von Kalibrier- und Messlaboratorien und Thermometerherstellern zur Thermometerkalibrierung genutzt.The thermometer to be calibrated is placed in the case of contact-measuring thermometer in the oven-based fixed-point cell and aligned with non-contact measuring thermometers on the fixed spot in the oven so that the thermometer can measure the temperature inside the cell. During a phase transformation of the fixed point substance, this temperature remains almost constant. In the temperature profile detected by the thermometer, this results in a plateau of the temperature T ph , at which the thermometer can be calibrated. These fixed point devices are often used by calibration and measurement laboratories and thermometer manufacturers for thermometer calibration.

In speziellen Fällen kann die Fixpunktzelle und auch die Heizung in ein Thermometer integriert sein, um eine Kalibrierung des Temperatursensors während der Messung einer Prozesstemperatur im eingebauten Zustand durchführen zu können. Diese Miniatur-Fixpunktzellen, MFPZ, können auch ohne integrierte Heizung gefertigt sein. Hier muss aber durch die Änderung der Prozesstemperatur die Phasenumwandlung ausgelöst werden.In special cases, the fixed point cell and also the heater may be integrated in a thermometer in order to be able to carry out a calibration of the temperature sensor during the measurement of a process temperature when installed. These miniature fixed point cells, MFPZ, can also be made without integrated heating. Here, however, the phase transformation must be triggered by changing the process temperature.

Bei kleinen Fixpunktzellen oder MFPZ entstehen aufgrund der geringeren enthaltenen Menge an Fixpunktmaterial kurze Phasenumwandlungstemperaturplateaus, deren Temperatur häufig durch Wärmeableitung zur Umgebung beeinflusst wird. Hier lässt sich die Phasenumwandlungstemperatur nur durch manuelle Auswertung aus dem gemessenen Temperaturverlauf ermitteln.With small fixed-point cells or MFPZs, short phase-transition temperature plateaus are formed due to the smaller amount of fixed-point material, the temperature of which is often influenced by heat dissipation to the environment. Here, the phase transition temperature can only be determined by manual evaluation from the measured temperature profile.

Dazu kann zum Beispiel die Methode der Geradenapproximation des Fixpunkttemperaturverlaufs angewendet werden. Dabei werden die Abschnitte der gemessenen Temperaturverläufe durch Geraden approximiert, um an deren Schnittpunkten die Plateauanfangstemperatur oder die Plateauendtemperatur zu bestimmen. Diese wird dann als Fixpunkttemperatur angenommen. In 4 ist diese Methode am Beispiel einer Thermoelementmessung in einer MFPZ näher erläutert. Aus einem gemessenen Thermospannungsverlauf U(t) werden dort an den Schnittpunkten die Spannungen U(TSP) und U(TEP) ermittelt. For this purpose, for example, the method of the straight line approximation of the fixed point temperature profile can be used. The sections of the measured temperature profiles are approximated by straight lines in order to determine the plateau initial temperature or the plateau end temperature at their intersection points. This is then assumed to be the fixed point temperature. In 4 This method is explained in more detail using the example of a thermocouple measurement in an MFPZ. From a measured thermal voltage curve U (t), the voltages U (T SP ) and U (T EP ) are determined there at the points of intersection.

Das erläuterte Verfahren der Geradenapproximation ist ein Beispiel einer möglichen Methode zur Fixpunkttemperaturermittlung, welche vom Auswertenden festgelegt wird. Unabhängig von dessen Wahl der Methode besteht immer der große Nachteil, dass die Fixpunktauswertung nur nach manueller Auswahl des Plateaubereiches und damit nach Eingriff eines Benutzers durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere bei Miniatur-Fixpunktzellen ein Nachteil, da eine automatische Kalibrierung eines Temperatursensors im laufenden Prozessbetrieb nicht möglich ist. Deshalb wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur automatischen Detektion der Phasenumwandlung in Fixpunktzellen vorgestellt, welches physikalische Zusammenhänge während der Phasenumwandlung nutzt. Es ermöglicht die automatische Erkennung des Beginns, des Endes und der Dauer einer durch Heizung oder Kühlung der Fixpunktzelle herbeigeführten Phasenumwandlung. Dieses Verfahren funktioniert unabhängig von der Bauform der verwendeten Fixpunktzelle. Es kann jeweils dort eingesetzt werden, wo eine automatische, oder automatisierte Kalibrierung an Fixpunktzellen stattfinden soll. Die Messungen zur Bestätigung des vorgestellten Verfahrens der Phasenumwandlungsdetektion wurden an einer Variante der vorgestellten Miniatur-Fixpunktzellen durchgeführt. Als Fixpunktmaterial kam hierbei die Legierung Al87/Si13 zum Einsatz. Zum Auslösen der Phasenumwandlung wurde die Fixpunktzelle in einem Kalibrierofen auf 560°C aufgeheizt und anschließend mit Hilfe der in die MFPZ integrierten Heizung über die Phasenumwandlungstemperatur erhitzt. 5 zeigt die rampenförmige Stellleistung der integrierten Heizung während eines Aufheizvorganges mit dem aufmodulierten Signal und den dabei gemessenen Temperaturverlauf. Es ist zu erkennen, dass der Einfluss dieser Modulation auf die gemessene Temperatur während der Phasenumwandlung signifikant geringer als außerhalb des Phasenumwandlungsbereiches ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Fixpunktsubstanz fest, oder bereits geschmolzen ist. 6 zeigt einen zeitlichen Ausschnitt dieser Messung während der Aufheizphase bei festem Zustand des Fixpunktmaterials.The described method of the straight line approximation is an example of a possible method for fixed point temperature determination, which is determined by the evaluator. Regardless of the choice of method, there is always the great disadvantage that the fixed point evaluation can be performed only after manual selection of the plateau area and thus after intervention of a user. This is a disadvantage, in particular in the case of miniature fixed-point cells, since automatic calibration of a temperature sensor during ongoing process operation is not possible. Therefore, with the present invention, a method for the automatic detection of phase transformation in fixed-point cells is presented, which uses physical relationships during the phase transformation. It enables the automatic detection of the beginning, the end and the duration of a phase transformation brought about by heating or cooling the fixed point cell. This method works regardless of the design of the fixed point cell used. It can be used in each case where an automatic or automated calibration is to take place at fixed point cells. The measurements for confirming the presented method of phase transformation detection were performed on a variant of the presented miniature fixed-point cells. As a fixed point material in this case the alloy Al87 / Si13 was used. To initiate the phase transformation, the fixed-point cell was heated to 560 ° C. in a calibration oven and then heated above the phase transition temperature by means of the heating integrated in the MFPZ. 5 shows the ramp-shaped actuating power of the integrated heating during a heating process with the modulated signal and the measured temperature profile. It can be seen that the influence of this modulation on the measured temperature during the phase transformation is significantly lower than outside the phase transition region. It does not matter if the fixpoint substance is solid or already molten. 6 shows a temporal section of this measurement during the heating phase with solid state of the fixed point material.

Anhand dieser Messdaten kann ein parametrisches Modell der Ordnungen m, n zur Beschreibung der Übertragungsfunktion G zwischen der am Heizelement erzeugten Leistung P und der gemessenen resultierenden Temperaturänderung der Temperatur T (Phasenzustand: fest) ermittelt werden:

Figure 00080001
in diesem Beispiel wurde ein rekursives Modell 3. Ordnung gewählt, welches das Übertragungsverhalten sehr gut beschreibt.On the basis of these measurement data, a parametric model of the orders m, n for describing the transfer function G between the power P produced at the heating element and the measured resulting temperature change of the temperature T (phase state: fixed) can be determined:
Figure 00080001
In this example, a recursive model of 3rd order was chosen, which describes the transmission behavior very well.

Mit diesem Modell wurde der mit der generierten Heizleistung aus 5 erwartete Temperaturverlauf am Thermometer simuliert. In 7 ist dieser simulierte Temperaturverlauf dem gemessenen Temperaturverlauf gegenübergestellt. Aus der guten Übereinstimmung beider Kurven ist zu erkennen, dass das Übertragungsverhalten des geschätzten Modells dem tatsächlichen Verhalten des Systems aus Fixpunktzelle und Thermometer sehr gut entspricht. Mit der Kenntnis dieses Übertragungsverhaltens ist es nun „online” möglich, die realen und die simulierten Auswirkungen der Leistungsmodulation auf das Temperaturverhalten zu vergleichen.With this model, the one with the generated heating power was off 5 expected temperature curve simulated on the thermometer. In 7 this simulated temperature profile is compared with the measured temperature profile. From the good agreement of both curves, it can be seen that the transmission behavior of the estimated model corresponds very well to the actual behavior of the system of fixed point cell and thermometer. With the knowledge of this transfer behavior, it is now possible "online" to compare the real and the simulated effects of the power modulation on the temperature behavior.

Befindet sich das gesamte Fixpunktmaterial vor und nach der Phasenumwandlung in der festen oder flüssigen Phase, ergibt sich die bereits erwähnte gute Übereinstimmung beider Verläufe. Während der Phasenumwandlung jedoch ist die gemessene Temperaturänderung durch die Leistungsmodulation nahezu null. Da das geschätzte Modell die Phasenumwandlung nicht berücksichtigt, entsteht daraus ein großer Unterschied zwischen dem gemessenen und dem simulierten Temperaturverlauf: Tsim = Pheizung·G (2). If the entire fixed-point material before and after the phase transformation is in the solid or liquid phase, the already mentioned good agreement of the two courses results. During the phase transformation, however, the measured temperature change due to the power modulation is nearly zero. Since the estimated model does not take into account the phase transformation, this results in a large difference between the measured and the simulated temperature profile: T sim = heating · G (2).

Ein Maß der Abweichung der beiden Kurven ist das mittlere Amplitudenverhältnis c2 von simuliertem und gemessenem Temperaturverlauf, nachfolgend Übertragungsfaktor genannt. Dieses kann am Ende jeder Doppelpulsperiode z. B. durch lineare Regression von Tgemessen = C0 + C1·t + C2·Tsim (3) gebildet werden, wobei c0 ein Temperaturoffset und c1 der Anstieg der Regressionsgeraden sind. Aus der Berechnung ergeben sich für c2 die in 8 dargestellten und mit * markierten Zahlenwerte. Außerhalb des Phasenumwandlungsbereiches liegen die Zahlenwerte des Übertragungsfaktors nahe eins. Ihre Schwankung wird durch stochastische Abweichungen des Messsignals hervorgerufen. Während der Phasenumwandlung sinken die Werte stark, da nahezu keine Temperaturänderung durch die Heizungsmodulation hervorgerufen wird. Der Übertragungsfaktor liegt in diesem Zeitbereich nahe null.A measure of the deviation of the two curves is the mean amplitude ratio c 2 of simulated and measured temperature profile, referred to below as the transfer factor. This can at the end of each double pulse period z. B. by linear regression of T measured = C 0 + C 1 * t + C 2 * T sim (3) where c 0 is a temperature offset and c 1 is the slope of the regression line. Resulting from the calculation for c 2 in which 8th displayed and marked with *. Outside the phase conversion range, the numerical values of the transmission factor are close to unity. Their variation is caused by stochastic deviations of the measurement signal. During the phase transformation the values decrease strongly, because almost no temperature change is caused by the heating modulation. The transmission factor is close to zero in this time range.

Dieses Absinken kann zur automatischen Fixpunktermittlung genutzt werden. Dazu muss eine geeignete Grenze des Übertragungsfaktors gewählt werden. in diesem Beispiel {Laborbedingungen} kann die Phasenumwandlung durch einen Bereich von +/–0,1 sehr gut detektiert werden. Innerhalb dieses Kriteriums liegen die in 9 durch senkrechte Strichlinien abgegrenzten Temperaturen. Diese repräsentieren den Bereich der Phasenumwandlung exakt und können zur Ermittlung der Phasenumwandlungstemperatur herangezogen werden. Allgemein muss zur Ermittlung der Übertragungsfunktion weder die tatsächlich in das Fixpunktmaterial eingetragene Leistung, noch die absolute Temperatur im Fixpunktmaterial bekannt sein. Eine Schätzung der Übertragungsfunktion kann beispielsweise auch zwischen einer der Leistungsmodulation proportionalen physikalischen Größe und einer der relativen Temperaturänderung proportionalen Größe erfolgen.This decrease can be used for automatic reference point determination. For this purpose, a suitable limit of the transmission factor must be selected. In this example {laboratory conditions} the phase transformation can be detected very well over a range of +/- 0.1. Within this criterion are the in 9 temperatures delimited by vertical dashed lines. These accurately represent the range of the phase transformation and can be used to determine the phase transition temperature. In general, neither the power actually entered into the fixed-point material nor the absolute temperature in the fixed-point material must be known in order to determine the transfer function. For example, an estimate of the transfer function can also take place between a physical variable proportional to the power modulation and a variable proportional to the relative temperature change.

Durch das aufgeführte Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion der Phasenumwandlung unter Laborbedingungen gut widergespiegelt.The example given clearly reflects the method according to the invention for detecting the phase transformation under laboratory conditions.

Auch im industriellen Einsatz erfolgt eine sichere Detektion des Phasenumwandlungsplateaus, da mit dem vorgestellten Verfahren nicht wie bisher üblich geometrische Temperaturverläufe zur Plateaudetektion und Fixpunkttemperaturermittlung genutzt werden, sondern ein physikalischer Zusammenhang abgefragt wird. Dieser Zusammenhang ist auch unter gestörten Umgebungsbedingungen nachweisbar, selbst wenn sich bei der Phasenumwandlung kein sichtbares Plateau einstellt. In Abhängigkeit der Störungen ist eine optimale Adaption der Heizungsmodulation möglich. So können zum einen Amplitude und Frequenz der Pulsfolge variiert werden und zum anderen können auch gänzlich andere, zur realen Störung unkorrelierte, mittelwertfreie Modulationssignale zum Einsatz kommen.In industrial use, too, a reliable detection of the phase transformation plateau takes place, since the method presented does not use geometric temperature profiles for plateau detection and fixed-point temperature determination, as has been customary, but interrogates a physical relationship. This relationship is detectable even under disturbed environmental conditions, even if there is no visible plateau in the phase transformation. Depending on the disturbances, an optimal adaptation of the heating modulation is possible. Thus, on the one hand, the amplitude and frequency of the pulse sequence can be varied and, on the other hand, completely different, mean-free modulation signals uncorrelated to the real disturbance can be used.

Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die automatisierbare und damit prozessfähige Detektion der Phasenumwandlung unterschiedlicher technisch genutzter Materialen ohne zusätzlichen mechanischen Eingriff in den zu untersuchenden Prozess. Durch die Modulation der im Prozess umgesetzten Leistung, deren mittlerer Energieeintrag null ist, und eine rechentechnische Auswertung der durch die Modulation entstehenden Temperaturänderung kann ein robustes Kriterium zur Phasenumwandlungsdetektion abgeleitet werden. Dabei können im günstigsten Fall vorhandene Prozess- und Ofenaufbauten ohne zusätzliche Modifikation Verwendung finden. Durch dynamische, adaptive Anpassung der bei der rechentechnischen Auswertung benutzten Modellparameter, kann auch im Falle von Prozessänderungen eine sichere Detektion der Phasenumwandlung erfolgen.The proposed method enables the automatable and thus process-capable detection of the phase transformation of different technically used materials without additional mechanical intervention in the process to be investigated. By modulating the power converted in the process, whose average energy input is zero, and a computational evaluation of the temperature change resulting from the modulation, a robust criterion for phase change detection can be derived. In the best case existing process and furnace structures can be used without additional modification. Through dynamic, adaptive adaptation of the model parameters used in the computational evaluation, a reliable detection of the phase transformation can also take place in the case of process changes.

Außerdem kann mit dem vorgestellten Verfahren auch eine Ermittlung der Phasenumwandlungstemperatur der untersuchten Materialien vorgenommen werden.In addition, with the presented method, a determination of the phase transition temperature of the materials investigated can be made.

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Claims (8)

Verfahren zur automatischen Detektion einer durch einen Grundleistungsumsatz hervorgerufenen Phasenumwandlung eines Materials, bei dem der Temperaturverlauf T(t) im Material erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Material eingetragene Leistung mit einem zusätzlichen offsetfreien Signal, welches keinen mittleren Leistungseintrag in das Material bewirkt, moduliert wird, die dadurch hervorgerufene Änderung des Temperaturverlaufes T(t) im Material erfasst wird, mit einem mathematischen Modell zur Beschreibung der Übertragungsfunktion zwischen einem der Änderung der eingetragenen Leistung proportionalen Parameter und der resultierenden relativen Temperaturänderung in der festen oder der flüssigen Phase ein Übertragungsfaktor ermittelt und rechentechnisch ausgewertet wird, ohne den Absolutwert der in das Phasenumwandlungsmaterial eingetragenen Heizleistung und der Materialtemperatur zu bestimmen.Method for the automatic detection of a phase transformation of a material caused by a basic power conversion, in which the temperature profile T (t) in the material is detected, characterized in that the power introduced into the material with an additional offset-free signal, which causes no average power input into the material , modulated, thereby detecting the change in the temperature profile T (t) in the material, with a mathematical model for describing the transfer function between a parameter proportional to the change in the registered power and the resulting relative temperature change in the solid or liquid phase is determined and evaluated by computer, without determining the absolute value of the registered in the phase change material heating power and the material temperature. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zur Modulation des Leistungseintrages in das Material eine alternierende, periodische, mittelwertfreie Pulsfolge ist.A method according to claim 1, characterized in that the signal for modulation of the power input into the material is an alternating, periodic, mean-value pulse train. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Modell parametrisch ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the model is parametric. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zur Modulation des Leistungseintrages in das Material an verschiedene Prozessbedingungen angepasst wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the signal for modulating the power input into the material is adapted to different process conditions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zur Beschreibung der Übertragungsfunktion zwischen der eingetragenen Leistung und der resultierenden Temperaturänderung ein rekursives Modell ist.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the model for describing the transfer function between the registered power and the resulting temperature change is a recursive model. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Modell an sich ändernde Prozessbedingungen dynamisch angepasst wird.A method according to claim 1 to 5, characterized in that the model used is dynamically adapted to changing process conditions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die rechentechnische Auswertung die Bildung des mittleren Amplitudenverhältnisses aus dem modellierten Temperaturverlauf und dem gemessenen Temperaturverlauf, beispielsweise durch lineare Regression, am Ende jeder Periode des Modulationssignals umfasst und eine Phasenumwandlung in dem oder den Bereichen detektiert wird, in denen dieses Amplitudenverhältnis nahezu null ist.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the computational evaluation comprises the formation of the average amplitude ratio of the modeled temperature profile and the measured temperature profile, for example by linear regression, at the end of each period of the modulation signal and detects a phase transformation in the one or more areas in which this amplitude ratio is close to zero. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Ermittlung der Phasenumwandlungstemperatur des zu untersuchenden Materials auf Basis eines repräsentativen physikalischen Zusammenhangs zwischen Energieeintrag und resultierender Temperaturänderung.Use of the method according to one of claims 1 to 6 for determining the phase transition temperature of the material to be investigated on the basis of a representative physical relationship between energy input and resulting temperature change.
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