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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Lecküberwachung
eines Induktors in einer Induktionshärteanlage nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
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Zum Härten metallischer Werkstücke, insbesondere
zum Oberflächenhärten von
Werkstücken aus
Stahl, werden verbreitet Induktionshärteanlagen eingesetzt, in denen
die Werkstücke – als Ganzes oder
in lokal begrenzten Bereichen – induktiv
erhitzt und alsdann durch Abschrecken gehärtet werden. In einer solchen
Anlage erfolgt das Aufheizen des Werkstücks mit Hilfe eines hohlen
elektrischen Leiters (Induktors), der mit einer Wechselspannung
beaufschlagt wird. Durch diese Wechselspannung werden in dem zu
erhitzenden Werkstück
Wirbelströme induziert,
welche – bei
genügend
hoher Intensität – ein schnellen
Temperaturanstieg im Werkstück
hervorrufen. Die Stromstärke
und die Bestromungsdauer des Induktors wird so eingestellt, dass
die zu härtenden
Bereichen des Werkstücks
auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden. Zur Kühlung wird der
Innenraum des Induktors von einem fluiden Kühlmittel durchströmt.
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Aufgrund von Korrosion des Induktors und/oder
durch Kurzschlüsse
zwischen Induktor und Werkstück
ist der Induktor – insbesondere
im Bereich der werkstückzugewandten
Wandungen – einem
lokalen Verschleiß ausgesetzt,
der zu Durchbrüchen der
Induktorwandung führen
kann. Ein solcher Durchbruch hat zur Folge, dass das im Inneren
des Induktors geführte
Kühlmittel
austritt. Befindet sich das Leck im Bereich einer werkstückzugewandten Wandung,
so spritzt während
der Induktionsbeheizung des Werkstücks Kühlmedium auf den diesem Leck
gegenüberliegenden
Bereich des Werkstücks und
bewirkt dort eine lokale Kühlung.
Dies bewirkt eine verminderte Erhitzung des betroffenen Bereiches
im Zuge der Induktionsaufheizung. Dies wiederum kann zu einem unvollständigen Phasenübergang dieses
Bereiches und daher einem unbefriedigenden Härtungsergebnis des Werkstücks führen, was
einen erhöhten
Verschleiß des
Werkstücks
im späteren
Betrieb zur Folge haben kann.
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Da die Konsequenzen einer lokal fehlerhaften
Härtung
für den
späteren
Betriebseinsatz des Werkstücks
im Regelfall nicht vorhergesehen werden können, muss ein solch unvollständig gehärtetes Werkstück – falls
dieses mangelhafte Härtungsergebnis
denn nachgewiesen wird – als
Ausschuß ausgesondert
werden, was Zusatzkosten verursacht. Allerdings kann die Qualität des Härtungsergebnisses am
Werkstück
nur mit aufwendiger Diagnostik nachgewiesen werden und wird daher
nur stichprobenhaft durchgeführt;
somit besteht die Gefahr, daß die
Auswirkungen der oben beschriebenen unvollständigen Härtung gegebenenfalls erst viel
später,
nämlich
erst im Betrieb des Werkstücks,
in Erscheinung treten.
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Um die Zahl der fehlerhaft gehärteten Werkstücke gering
halten zu können,
ist es daher wichtig, das Auftreten eines Lecks im Induktor möglichst
umgehend feststellen zu können,
um sofort geeignete Reparaturmaßnahmen
ergreifen zu können.
Hierbei tritt allerdings die Schwierigkeit auf, dass während des
laufenden Härtevorgangs
ein solches Leck nur sehr schwer zu entdecken ist, da – insbesondere
bei einem kleinen Leck – die
nach außen
dringenden Flüssigkeitsmengen
nur sehr gering sind. Die Empfindlichkeit der Druckmesser, die bei
kommerziell erhältlichen
Induktionshärteanlagen
serienmäßig im Kühlkreislauf
vorgesehenen sind, um das Anliegen eines Minimal-Kühlmitteldrucks
am Induktor zu überwachen,
ist daher viel zu gering, um ein solches Leck detektieren zu können. Weiterhin
gestaltet sich eine Sichtprüfung
des Induktors auf austretende Kühlflüssigkeit
als sehr schwierig: Da nämlich
im Härtereibetrieb
in der unmittel baren Umgebung des Induktors Kühlmittel in großen Mengen
(von Abschreckbrausen und/oder -Bädern) vorhanden ist, kann eine
geringe zusätzliche,
aus dem Induktor austretende Kühlmittelmenge
kaum Aufmerksamkeit erregen. Der Nachweis ist insbesondere dann
sehr schwierig, wenn sich das Leck auf der werkstückzugewandten
Wandung des Induktors befindet, welche von außen nur unter Schwierigkeiten
einzusehen ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, mit Hilfe dessen ein Leck eines Induktors während des Härtereibetriebes
schnell und prozesssicher detektiert werden kann. Weiterhin liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1 und 4 gelöst.
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Danach wird das Auftreten eines Lecks
im Kühlkreislauf
am Ort des Induktors durch eine damit einhergehende Verlustrate
des durch den Induktor zirkulierenden Kühlmediums detektiert. Hierzu
wird die Durchflussrate des Kühlmediums
vor Eintritt in den Induktor mit der Durchflussrate des Kühlmediums
nach Austritt aus dem Induktor verglichen. Die Differenzrate dieser
beiden Durchflussraten ist ein Maß für die Verlustrate des Kühlmediums
am Induktor und wird als Richtgröße für die Beurteilung
verwendet, ob der Induktor ein Leck aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine
kontinuierliche und prozessbegleitende Überwachung des Kühlmittelkreislaufs
während
des Betriebs des Induktionshärteanlage.
Das Verfahren gestattet die Detektion aller Lecks im Bereich des
Induktors, unabhängig
von der Stelle, an der sie auftreten. Gegenüber der herkömmlichen,
sehr aufwendigen und fehleranfälligen
Leckerkennung mittels Sichtprüfung bietet
die erfindungsgemäße Leckerkennung
mittels Durchflussmessung somit große Vorteile, da ohne zusätzlichen
Aufwand auch Lecks in schlecht einsehbaren Berei chen, insbesondere
an den werkstückzugewandten
Induktorwänden,
schnell und prozesssicher nachgewiesen werden können. Das Austreten von Kühlmedium
aus dem Induktor und die damit einhergehende unbeabsichtigte lokale
Kühlung
des Werkstücks
während
des Induktionserhitzens – mit der
Folge einer unzureichenden Härtung – kann somit
wirkungsvoll unterbunden werden.
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Durch Auswahl angepasster Sensoren
zur Messung der Durchflussrate bzw. der Differenzrate des Kühlmediums
kann dabei eine hohe Empfindlichkeit der Überwachungsvorrichtung erreicht
werden, mittels derer sogar kleine Lecks bei ihrem Entstehen schnell
detektiert werden können.
Somit ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren
ein schnelles Eingreifen, bevor fehlerhaft gehärtete Werkstücke in größerer Zahl
entstehen können.
Besonders vorteilhaft ist es, die Vorrichtung zur Lecküberwachung
an eine Alarmanlage anzuschließen,
die ein Warnsignal ausgibt, falls die Verlustrate einen bestimmten
vordefinierten Wert überschreitet.
Alternativ bzw. zusätzlich ist
kann beim Überschreiten
einer bestimmten vordefinierten Verlustrate die gesamte Induktionshärteanlage
automatisch abgeschaltet werden.
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Eine besonders einfache und robuste
Durchflussmessung läßt sich
unter Verwendung von Messblenden erreichen, die in Durchflussrichtung
des Kühlmediums
vor und nach dem Induktor im Kühlkreislauf
angeordnet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier
in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Induktionshärteanlage mit Überwachung
der Kühlmittel-Durchflussrate;
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2 eine
alternative Ausgestaltung einer Induktionshärteanlage mit Überwachung
der Kühlmittel-Durchflussrate.
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1 zeigt
einen Ausschnitt eines Kühlmittelkreislaufs 1 einer
Induktionshärteanlage 2 mit
einem Induktor 3, der über
eine Spannungsversorgung 4 mit einer Wechselspannung beaufschlagt
werden kann. Der Induktor 3 ist als Hohlkörper ausgestaltet und
in einer solchen Weise in den Kühlmittelkreislauf 1 eingebunden,
dass sein Innenraum 5 im Betrieb von einem flüssigen Kühlmedium
(z.B. Kühlwasser) durchflossen
wird, welches in Richtung des Pfeils 6 in dem Kühlmittelkreislauf 1 zirkuliert.
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Der Kühlmittelkreislauf 1 umfasst
eine Pumpe 7 mit einem Antriebsmotor 8, mit Hilfe
derer ein bestimmter Kühlmittelfluss
durch den Kreislauf 1 erzeugt wird. Um im Falle eines plötzlichen
(starken) Druckabfalls – z.B.
beim Bersten eines Schlauches – ein
Warnsignal abgeben und die Stromversorgung 4 des Induktors 3 sofort
abschalten zu können,
sind an mehreren Stellen des Kühlmittelkreislaufs 1 Druckmesser 9 vorgesehen.
Weiterhin umfaßt
der Kreislauf 1 ein Sperrventil 10.
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Im Kühlmittelkreislauf
1 sind
zwei Durchflussraten-Sensoren
11,
12 vorgesehen,
wobei der eine in Durchflussrichtung
6 vor dem Induktor
3,
der andere nach dem Induktor
3 angeordnet ist. Die Durchflussraten-Sensoren
11,
12 sind
im vorliegenden Beispiel durch Messblenden
13 gebildet;
die Funktionsweise einer solchen Messblende ist beispielsweise in
der
EP 219 489 A1 beschrieben.
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Die elektronischen Messsignale der
beiden Durchflussraten-Sensoren 11, 12 werden
in einen Vergleicher 14 eingespeist, welcher die Differenz
der beiden Messsignale ermittelt. Die Differenz ist ein Maß dafür, ob – und wenn
ja, wieviel – Kühlmittel
zwischen den beiden Sensoren 11, 12 (beispielsweise am
Ort des Induktors 3) aus dem Kühlmittelkreislauf 1 austritt.
Der Differenzwert wird einerseits auf einem Display 15 angezeigt;
andererseits kann ein Warnsignal ausgelöst werden, wenn der Differenzwert
eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Weiterhin kann der Differenzwert als Input eines Mikrocomputers 16 verwendet
werden, mit Hilfe dessen der Stromkreislaufs des Induk tors 3 gesteuert
wird: Übersteigt
der Differenzwert einen bestimmten vorgegebenen Schwellwert, so
wird der Stromkreislauf 4 des Induktors 3 automatisch
abgeschaltet.
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In einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung wird – anstelle
des Vergleichs der elektronischen Messsignale der beiden Messblenden 13 – ein (hydraulischer)
Vergleich der Durchflussraten in einem in Durchflussrichtung 6 vor
dem Induktor 3 gelegenen Abschnitt 17 des Kühlmittelkreislaufs 1 und
einem in Durchflussrichtung nach dem Induktor 6 gelegenen
Abschnitt 18 durchgeführt
(siehe 2). In diesem
Fall sind die beiden Abschnitte 17, 18 in einer solchen
Weise nebeneinander angeordnet, dass die Differenz der Durchflussraten
durch einen hydraulischen Vergleich ermittelt wird. Das Ergebnis
dieses Vergleichs wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers 19 in
ein elektronisches Signal umgewandelt wird, welches in einem Mikrocomputer 20 weiterverarbeitet
wird. Auch in diesem Fall ist der Mikrocomputer 20 an den
Stromkreislauf 4 des Induktors 3 angeschlossen,
so dass beim Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellwerts ein Warnsignal ausgelöst und/oder
der Stromkreislauf 4 des Induktors 3 automatisch
abgeschaltet werden kann.
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Der Kühlmittelkreislauf 1 kann – wie in 1 und 2 dargestellt – als offener Kreislauf mit
einem Kühlmitteleintritt 21 und
einem Kühlmittelaustritt 22 ausgebildet
sein. Alternativ kann die Erfindung auch in einem geschlossenen
Kühlmittelkreislauf
eingesetzt werden.