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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Bauteils anhand einer Impedanz einer Induktionsspule, die zur Heizung des Bauteils mit einem Wechselstrom betrieben wird. Bei in der Technik üblichen Induktionsheizungen erzeugt das Magnetfeld einer mit einem Wechselstrom beaufschlagten Induktionsspule elektrische Ströme in dem Bauteil, die durch Ohm’sche Verluste das Bauteil heizen. Wegen geringer Verluste in der Stromversorgung der Induktionsspule werden zur Erzeugung geeigneter Wechselströme bevorzugt Rechteckgeneratoren eingesetzt, die mit einer vorgebbaren Frequenz, beispielsweise 6–10 kHz (kiloHertz), etwa rechteckförmige Spannungsverläufe erzeugen, was bei Anschluss an eine Induktionsspule zu entsprechenden Stromflüssen führt, wobei Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom auftreten.
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Ein besonderer Anwendungsfall, bei dem es auf die genaue Einhaltung eines vorgebbaren Sollwertes der Temperatur des Bauteiles ankommen kann, ist die induktive Beheizung von rotierenden Bauteilen, beispielsweise Galetten in Textilmaschinen. Deren Temperatur muss daher möglichst genau gemessen werden, wobei der gemessene Ist-Wert mit dem Sollwert verglichen und die Stromversorgung der induktiven Beheizung entsprechend zur Einhaltung des Sollwertes geregelt wird. Für die Messung der Temperatur kommen alle bekannten Verfahren in Betracht, jedoch ist es insbesondere bei rotierenden Bauteilen wie Galetten vorteilhaft, wenn eine berührungslose Temperaturmessung erfolgen kann.
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Aus der
EP 0 892 585 A2 ist es schon bekannt, den Quotienten aus Spannung und Strom in einer Induktionsspule zur induktiven Beheizung einer Galette während des Betriebes zu messen und daraus die Temperatur eines Galettenmantels zu bestimmen. In dieser Schrift ist das Grundprinzip einer solchen Messung beschrieben sowie eine einfache Art der Kalibrierung, mit der aus dem Quotienten von Spannung und Strom auch bei unterschiedlichen Strömen in der Induktionsspule ein Temperaturwert ermittelt werden kann.
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Aus der
DE 10 2010 051 559 A1 ist auch ein Kalibrierverfahren zur Temperaturbestimmung eines induktiv beheizten Bauteiles mittels einer gesonderten Induktionsspule bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit geringem Aufwand am Bauteil und dessen Heizvorrichtung und das beschriebene grundsätzliche Messprinzip zu verbessern und dadurch die Messgenauigkeit zu erhöhen, um insbesondere eine Temperaturkonstanz eines induktiv beheizten Bauteils ohne zusätzliche Temperatursensoren mit hoher Genauigkeit, insbesondere von weniger als 1% Abweichung von einem vorgebbaren Sollwert, zu erreichen. Auch eine entsprechende Vorrichtung zur Temperaturmessung soll geschaffen werden. Dabei soll eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Impedanz an der Induktionsspule erreicht werden, vorzugsweise aber auch die Genauigkeit der Bestimmung der Temperatur aus der gemessenen Impedanz bei verschiedenen Betriebsbedingungen verbessert werden, insbesondere verschiedenen Strömen in der Induktionsspule, was durch aus Kalibriermessungen abgeleitete Korrekturparameter erfolgen soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert anwendbar sind, werden in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Temperatur eines metallischen Bauteils anhand einer Impedanz einer Induktionsspule, die zur Heizung des Bauteiles elektrische Ströme in dem Bauteil erzeugt, wobei die Induktionsspule mittels eines Rechteckgenerators mit einer Rechteckspannung vorgebbarer Frequenz, die eine sinusförmige Grundschwingung enthält, gespeist wird und wobei die Impedanz aus dem Verhältnis von Spannung an der Induktionsspule und Strom durch die Induktionsspule bestimmt wird und anhand von Kalibrierdaten aus der Impedanz die Temperatur des Bauteiles bestimmt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass aus den Messwerten von Spannung und Strom im Wesentlichen nur die Wirkung der Grundschwingung des Rechteckgenerators herausgefiltert und zu einer Grundschwingungsspannung bzw. einem Grundschwingungsstrom weiterverarbeitet wird, deren Quotient einer Grundschwingungsimpedanz entspricht, aus der anhand von Kalibrierdaten die Temperatur berechnet wird.
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Dabei geht die Erfindung davon aus, dass Induktionsspulen zur Beheizung von Bauteilen aus wirtschaftlichen Gründen typischerweise von Rechteckgeneratoren mit Strom versorgt werden, wobei die Rechtecksignale eine Grundschwingung, aber auch zahlreiche Oberschwingungen in dem Stromkreis mit der Induktionsspule erzeugen, wobei die auf die Oberschwingungen zurückgehenden Einflüsse auf Messwerte von Strom und Spannung eine genaue Messung der Impedanz der Induktionsspule erschweren, so dass nicht immer eindeutige und/oder genügend genaue Temperaturwerte aus den Messwerten abgeleitet werden können. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Erfindung durch Filtern und eine geeignete Signalverarbeitung eine Situation hergestellt, die von der Messgenauigkeit ähnlich einer Situation ist, bei der eine Induktionsspule mit einer sinusförmigen Spannung vorgebbarer Frequenz versorgt wird. Die Messgenauigkeit der Impedanz und damit die Genauigkeit der daraus abgeleiteten Temperatur können auf diese Weise signifikant erhöht werden.
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Ein bevorzugter weiterer Schritt zur Erhöhung der Messgenauigkeit beruht auf der Erkenntnis, dass die Temperatur eines elektrisch leitfähigen Bauteils die Impedanz einer Induktionsspule in der Nähe im Prinzip linear beeinflusst, so dass ein linearer Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz der Induktionsspule und der Temperatur des Bauteils besteht, der sich in Form einer Geraden in einem Diagramm darstellen lässt, wobei jedoch dieser Zusammenhang nur bei einer konstanten Spannung bzw. einem konstanten Strom durch die Induktionsspule gilt. Ändert sich jedoch z. B. aufgrund von Schwankungen der Spannung in einem Versorgungsnetz die Hauptspannung zur Versorgung der Induktionsspule, wodurch sich wiederum auch der Strom durch die Induktionsspule verändert, so fordert dies eine Korrektur bei der Umrechnung der gemessenen Impedanz in eine Temperatur. Während im Stand der Technik angenommen wurde, dass diese Korrektur relativ einfach durchzuführen ist, bildlich gesprochen durch eine Parallelverschiebung der den linearen Zusammenhang darstellenden Geraden, zeigt eine genauere Betrachtung, dass eine Änderung des Stroms in der Induktionsspule bildlich gesprochen die Lage und die Steigung der den linearen Zusammenhang darstellenden Geraden verändert. Um hier eine genügende Messgenauigkeit auch bei unterschiedlichen gemessenen Strömen in der Induktionsspule zu erreichen, ist eine genauere Korrektur erforderlich, insbesondere eine Korrektur mindestens zweiter Ordnung nach der Formel T(Z_g, Iz_g) =
(Z_g – (bk1·Iz_g^2 + bk2·Iz_g + bk3)/(ak1·Iz_g^2 + ak2·Iz_g + ak3).
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Die notwendigen Korrekturparameter ak1, ak2, ak3, bk1, bk2, bk3 können bei einer fertiggestellten Induktionsspule mit erfindungsgemäßer Messanordnung durch einige Kalibriermessungen ermittelt werden. Bevorzugt müssen dazu Messungen bei unterschiedlichen bekannten Temperaturen des Bauteils und mit unterschiedlichen Strömen in der Induktionsspule durchgeführt werden. Eine solche, ggf. in gewissen Zeitabständen oder nach Umbauten an der Heizeinrichtung zu wiederholende Kalibrierung und Speicherung der Parameter ist relativ einfach und zur Erhöhung der Messgenauigkeit gerechtfertigt.
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Die für die Bestimmung der Impedanz der Induktionsspule erforderlichen Messungen von Strom und Spannung ergeben zunächst analoge Messsignale, die zur Weiterverarbeitung in digitale Signale umgewandelt werden sollen. Da die Rechteckspannung des Rechteckgenerators erhebliche Anteile an Oberwellen enthält, haben die analogen Messsignale eine relativ große Bandbreite, enthalten also auch verschiedene Oberschwingungen, was bei der Weiterverarbeitung zu Schwierigkeiten und nicht eindeutigen Messsignalen führen kann. Aus diesem Grund werden erfindungsgemäß die analogen Messsignale von Strom und Spannung in einer Filteranordnung in ihrer Bandbreite verringert. Bevorzugt werden dafür sogenannte „Anti-Aliasing-Filter“ eingesetzt, die die Bandbreite so weit verringern, dass bei der späteren Verarbeitung keine Zweideutigkeiten auftreten können.
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Eine solche Filteranordnung nennt man auch Tiefpassfilter, weil niedrige Frequenzen durchgelassen und höhere Frequenzen abgeschnitten werden. Erfindungsgemäß sollen Frequenzen, die höher sind als etwa das 1,5- bis 2,5-fache der Frequenz der Rechteckspannung abgeschnitten werden. Auf diese Weise wird hauptsächlich die Grundschwingung durchgelassen. Damit die spätere Quotientenbildung aus Spannung und Strom nicht durch die Filter verfälscht wird, sind die Übertragungsfunktionen der Filteranordnungen für Spannung und Strom gleich zu halten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gefilterten Signale anschließend jeweils in einem Analog/Digitalwandler umgewandelt und danach jeweils einem mit der Frequenz der Rechteckspannung synchronisierten Grundschwingungsbildner zugeführt, der ein gleichgerichtetes, über mindestens eine Periode der Grundschwingung integriertes Signal bildet, wobei der Quotient aus den Ausgangssignalen der Grundschwingungsbildner eine im Wesentlichen auf die Wirkung der Grundschwingung des Rechteckgenerators zurückgehende Grundschwingungsimpedanz ergibt, aus der die Temperatur abgleitet wird. Der Grundschwingungsbildner, dessen Funktion im Folgenden noch näher erläutert wird, ist für Strom und Spannung jeweils identisch ausgebildet und eingestellt, so dass bei der späteren Quotientenbildung zur Ermittlung der Impedanz sich als Multiplikation darstellbare Veränderungen der Signale wieder ausgleichen.
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Bevorzugt wird die Synchronisation der Grundschwingungsbildner mit dem Rechteckgenerator durch einen Sinus-/Cosinus-Generator erreicht, dessen Ausgangssignale den beiden Grundschwingungsbildnern und einem Rechteckformer zur Steuerung des Rechteckgenerators zugeführt werden. Eine Synchronisation ist nützlich, um die auf die Grundschwingung des Rechteckgenerators zurückzuführenden Signale von Spannung und Strom phasenrichtig auswerten zu können.
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Die fertig eingestellte Mess- und Auswertungselektronik kann dann, vorzugsweise in der endgültigen Konstellation mit einem induktiv zu beheizenden Bauteil, kalibriert werden, so dass dann im fertigen Betrieb eine präzise Messung der Temperatur des Bauteils und eine Konstanthaltung der Temperatur möglich sind.
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine Temperaturmessung immer nur möglich ist, wenn die Beheizung des Bauteils in Betrieb ist, das heißt der Rechteckgenerator die Induktionsspule mit Heizstrom versorgt. Die Erfindung ist daher bevorzugt zur Konstanthaltung der Temperatur in einem Bauteil einsetzbar, da sie nach Abschalten der Beheizung die Abnahme der Temperatur in dem Bauteil nur durch kurzzeitiges Wiedereinschalten der Heizung messen kann. Typischerweise wird daher im Betrieb zur Regelung der Temperatur bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalwertes der Temperatur die Beheizung abgeschaltet für eine auf Erfahrungswerten beruhende Dauer und dann wieder eingeschaltet bis die Maximaltemperatur wieder erreicht ist und der Ablauf von Neuem beginnt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines metallischen Bauteils mit einer Induktionsspule, die zur Heizung des Bauteils elektrische Ströme in dem Bauteil erzeugen kann, wobei die Induktionsspule an einem Rechteckgenerator zur Erzeugung einer Rechteckspannung vorgebbarer Frequenz angeschlossen ist und wobei Messeinrichtungen zur analogen Messung der Spannung an der Induktionsspule und des Stroms durch die Induktionsspule vorhanden sind, zeichnet sich dadurch aus, dass Filteranordnungen vorhanden sind, die die Bandbreite der gemessenen Signale für Spannung und Strom verringern, insbesondere im Wesentlichen die auf eine Grundschwingung des Rechteckgenerators zurückgehenden Anteile durchlassen, den Filteranordnungen Analog-/Digitalwandler und diesen wiederum Grundschwingungsbildner zur Bildung von auf die Grundschwingung zurückgehenden Signalen einer Grundschwingungsspannung und eines Grundschwingungsstroms nachgeschaltet sind, die Grundschwingungsbildner mit einem Dividierer verbunden sind zur Bildung des Quotienten aus Grundschwingungsspannung und Grundschwingungsstrom, der einer Grundschwingungsimpedanz der Induktionsspule entspricht und ein Umrechnungsmodul vorhanden ist zur Berechnung der Temperatur des Bauteils aus der Grundschwingungsimpedanz und dem Grundschwingungsstrom anhand vorgebbarer Kalibrierdaten.
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Bevorzugt ist die Filteranordnung ein Tiefpassfilter, welcher durch eine Mehrzahl, insbesondere vier, sogenannte PT1-Filter gebildet wird, vorzugsweise mit einer Eckfrequenz im Bereich des 1,5- bis 2-5-fachen der Frequenz des Rechteckgenerators. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das Ausgangssignal der Filteranordnung mit hoher Abtastfrequenz und eindeutig in digitale Signale umgewandelt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist ein Sinus-/Cosinus-Generator zur Synchronisation von Grundschwingungsbildnern und Rechteckgenerator vorhanden.
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Zur Umrechnung der Grundschwingungsimpedanz der Induktionsspule in die Temperatur des Bauteils ist ein Umrechnungsmodul vorhanden, welches wenigstens sechs Speicherplätze für Kalibrierparameter ak1, ak2, ak3, bk1, bk2, bk3 und Eingänge für die ermittelte Grundschwingungsimpedanz und den Grundschwingungsstrom aufweist. Bevorzugt bildet das Umrechnungsmodul die Formel T(Z_g, Iz_g) =
(Z_g – (bk1·Iz_g^2 + bk2·Iz_g + bk3)/(ak1·Iz_g^2 + ak2·Iz_g + ak3) zur Berechnung der Temperatur aus Grundschwingungsimpedanz und dem Grundschwingungsstrom nach.
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Weitere Einzelheiten und einige theoretische Grundlagen zu der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden auch anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Prinzipanordnung zur induktiven Beheizung eines Bauteils,
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2: eine Anordnung zur Signalverarbeitung der Messsignale für Strom und Spannung und
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3: den prinzipiellen Aufbau von Grundschwingungsbildnern.
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1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer induktiven Beheizung eines Bauteils 1, insbesondere eines rotierenden Bauteils. Eine Induktionsspule 2 mit einer Impedanz Z wird von einem Rechteckgenerator 4 mit einer Rechteckspannung versorgt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der Rechteckgenerator eine Frequenz von 8 kHz und eine Ausgangsspannung von 270 V [Volt]. Typischerweise befindet sich die Induktionsspule 2 in Reihenschaltung mit einer Kapazität 3 und natürlich hat der Stromkreis auch einen hier nicht dargestellten Widerstand, der sich aus einem ohmschen Widerstand und einem Blindwiderstand für Wechselstrom zusammensetzt. Solche Induktionsheizungen werden im Allgemeinen im Bereich der Resonanz des Schwingkreises aus Kapaität 3 und Induktionsspule 2 betrieben. Für die vorliegende Erfindung ist die genaue und reproduzierbare Bestimmung der Impedanz Z der Induktionsspule 2 von Bedeutung, weshalb in dem Stromkreis der Strom Iz und die Spannung Uz an der Induktionsspule 2 gemessen werden, und zwar zunächst als analoge Messwerte.
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2 zeigt die weitere Verarbeitung der zeitabhängigen Messwerte Uz(t) und Iz(t). Diese durchlaufen jeweils zunächst eine Filteranordnung 5 und werden danach in einem Analog/Digital-Wandler 6 in digitale Signale, im vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. mit einer Auflösung von 12 bit und einer Abtastfrequenz von 50 kHz. Die Filteranordnung 5 ist im Prinzip als Tiefpassfilter ausgestaltet mit einer Grenzfrequenz von etwa 16 kHz. Da die Ausgangsspannung des Rechteckgenerators 4 außer seiner Grundfrequenz auch in erheblichem Umfang höhere Frequenzen enthält, ist zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten bei der Analog-/Digital-Umwandlung zunächst eine Filterung erforderlich, vorzugsweise mit einem sogenannten Anti-Aliasing-Filter, das im vorliegenden Fall durch 4 sogenannte PT1-Filter gebildet wird. Im Ergebnis reicht eine Abtastfrequenz von 50 kHz im Analog/Digital-Wandler 6 dann für eine eindeutige Umwandlung aus. Bei der vorliegenden Erfindung kommt es darauf an, dass die Impedanz der Induktionsspule 2 nur für die Grundschwingung des Rechteckgenerators 4 bestimmt werden soll, weshalb die Signale von Spannung Uz und Strom Iz jeweils in einem Grundschwingungsbildner 7 weiterverarbeitet werden. Dieser liefert gleichgerichtete über einen geeigneten Zeitraum integrierte Ausgangssignale für die Grundschwingungsspannung Uz_g und den Grundschwingungsstrom Iz_g, aus denen dann in einem Dividierer 11 die Grundschwingungsimpedanz Z_g gebildet wird. Diese läßt sich in einem Umrechnungsmodul 13 nach geeigneter Kalibrierung in die Temperatur T des Bauteils 1 umrechnen. Auch hier kommt es auf eine genaue Korrektur von Störeinflüssen an, wie weiter unten noch erläutert wird, jedoch ist bei reproduzierbarer und genauer Bestimmung der Grundschwingungsimpedanz Z_g und des Grundschwingungsstromes I_g eine sehr genaue Umrechnung in die von beiden Größen abhängige Temperatur T des Bauteils 1 möglich. Wichtig ist, dass die Grundschwingungsbildner 7 mit dem Rechteckgenerator 4 synchronisiert werden, was mittels eines Sinus-/Cosinus-Generators 12 (mit einer Frequenz von 8 kHz, wie sie für den Rechteckgenerator 4 gebraucht wird) bewerkstelligt wird. Dieser steuert einerseits die Grundschwingungsbildner 7 und andererseits einen Rechteckformer 9 und dann über einen Wechselrichter den Rechteckgenerator 4 an, so dass diese genau synchronisiert betrieben werden können.
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3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Grundschwingungsbildner 7. Wie im Folgenden erläutert wird, wandeln die Grundschwingungsbildner 7 die digitalen Signale von Spannung Uz(t) und Strom Iz(t) jeweils über Multiplizierer 14 und Koeffizientenbestimmer 15 sowie jeweils einen geometrischen Addierer 16 in Werte für die Grundschwingungsspannung Uz_g und den Grundschwingungsstrom Iz_g um, aus denen dann wie schon beschrieben in einem Dividierer 11 der Quotient gebildet wird, der der Grundschwingungsimpedanz Zg entspricht.
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Die Grundschwingungsbildner 7 sind beide identisch aufgebaut und bilden quasi ein Fourierintegral erster Ordnung zur Bestimmung der harmonischen Unterschwingungen eines zeitperiodischen Signals nach.
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Bekanntlich kann eine periodische Zeit-Funktion f(t) in einzelne frequenzdiskrete Unterschwingungen zerlegt werden.
a
0 ist der hier nicht vorhandene Gleichanteil. k ist die Nummer der Harmonischen. k = 1 ist demnach die Grundschwingung.
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Die Koeffizienten a
k und b
k sind die Amplitudenwerte zweier harmonischer Schwingungen. Diese sind geometrisch zu addieren um die frequenzdiskrete Harmonische in Amplitude und Phasenlage richtig zu bestimmen. Die Amplitudenwerte a
k und b
k werden als Fourier-Koeffizienten bezeichnet und können wie folgt berechnet werden.
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Da in unserm Fall nur die Grundschwingung zu ermitteln ist wird k = 1.
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Um die Signalamplitude der Gesamtharmonischen zu ermitteln sind die Amplitudenwerte a
1 und b
1 geometrisch zu addieren. Für Uz_g gilt dann:
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Die Impedanzberechnung liefert dann:
-
Die Integration nach Gleichung (2) und (3) kann auch über mehrere Perioden erfolgen; im Grenzfall wird aus der Integration eine Mittelwertbildung, die in der Signalverarbeitung auch als weiteres PT1-Glied mit entsprechend langer Zeitkonstante, z. B. 1 ms [Millisekunde] nachgebildet wird. Basierend hierauf ist auch das Schaltbild in 3 zu verstehen. Um Pulsationen zu vermeiden ist es sicherlich auch vorteilhaft, die „Integrationsdauer“ über ein ganzzahliges Vielfaches der Signalperiodendauer durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ohne zusätzliche Einbauten nur aus den Messwerten von Strom und Spannung in einem induktiven Heizer eines Bauteils die genaue Bestimmung der Temperatur des Bauteils und damit eine genaue Temperaturregelung, insbesondere die Konstanthaltung der Temperatur des Bauteils in einem engen Sollbereich, was zum Beispiel bei beheizbaren Galetten, die in großer Zahl in Textilmaschinen Anwendung finden und sehr genau geregelt werden müssen, vorteilhaft eingesetzt werden kann. Auch die Temperatur anderer rotierender und induktiv beheizbarer Bauteile kann mit Hilfe der Erfindung genau geregelt werden, ohne dass Temperaturfühler am Bauteil benötigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Induktionsspule
- 3
- Kapazität
- 4
- Rchteckgenerator
- 5
- Filteranordnung
- 6
- Analog/Digital-Wandler (A/D Wandler)
- 7
- Grundschwingungsbildner
- 8
- Sinus/Cosinus-Generator
- 9
- Rechteckformer
- 10
- Wechselrichter
- 11
- Dividierer
- 12
- Sinus-/Cosinus-Generator
- 13
- Umrechnungsmodul
- 14
- Multiplizierer
- 15
- Koeffizientenbestimmer
- 16
- Geometrischer Addierer
- T
- Temperatur
- Z
- Impedanz
- Z_g
- Grundschwingungsimpedanz
- Uz
- Spannung an der Induktionsspule
- Uz_g
- Grundschwingungsspannung
- Iz
- Strom durch die Induktionsspule
- I Gl
- eichrichtmittelwert von Iz
- Iz_g
- Grundschwingungsstrom
- f
- Frequenz
- ak1, ak2, ak3, bk1, bk2, bk3
- Kalibrierparameter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0892585 A2 [0003]
- DE 102010051559 A1 [0004]