DE2155614C3 - In einen Träger eingebaute Vorrichtung zum Messen und Regeln der Oberflächentemperatur des Trägers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in einen Träger eingebaute Vorrichtung zum Messen und Regeln der Oberflächentemperatur des Trägers, bestehend aus mindestens einem Thermoelement, dessen zwei aus verschiedenen Metallen besiehende Elektroden elektrisch isoliert von der Rückseite her durch den Träger hindurchgeführt und mit ihren Enden an zwei auseinanderliegenden Stellen der Meßfläche des Trägers galvanisch angeschlossen sind, wobei der metallische, zwischen den Anschlußstellen liegende Abschnitt der Meßfläche eine Zwischenelektrode bildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche MeB- und Regelvorrichtungen bei geringstem baulichen Aufwand so zu verbessern, daß eine zumindestens zeitweilig unterschiedlich thermisch beanspruchte Meßstrecke oder Meßfläche nicht nur punktuell, sondern vollständig bezüglich ihrer Temperatur erfaßt wird.

Dipse Aufgab« wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anschlußstellen der Elektroden des Thermoelementes an oder nahe den äußersten Enden einer mit einer Hauptabmessung (Länge, Breite, Umfang) des Trägers zusammenfallenden Meßstrecke der Meßfläche angeordnet sind und daß die Zwischenelektrode ίο zwischen den Anschlußstellen der beiden Thermoelementenelektroden eine homogene und kontinuierliche Metallschicht ist, die sich über die gesamte Meßstrecke erstreckt, so daß die gemessene Temperatur ein Maß für die mittlere Temperatur der Meßstrecke wird.
Der Stand der Technik zeigt, daß das in so einfacher Weise durch diese Erfindung gelöste Problem seit vielen Jahren angegangen wurde, aber noch nicht zu einer praktikablen Lösung geführt werden konnte.

Durch die bekannte Maßnahme (US-PS 27 12 563), die Schenkel eines Thermoelementes in einer Silberscheibe festzulöten, kann man in der Praxis die mittlere Temperatur dieser Scheibe messen. Die vollständige Beherrschung der Temperatur einer Meßstrecke oder Meßebene ist auf diese Weise nicht möglich.
Bekannt sind auch die Schwierigkeiten, die dann entstehen, wenn man die Temperaturmeßebene von Thermoelementen freihalten und deren Elektroden von der Unterseite des Trägers über Bohrungen an die Meßebene heranbringen will. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde bereits vorgeschlagen (FR-PS 15 64 615), die Elektroden der Thermoelemente frei im umgebenden Material eines Heizkörpers anzuordnen, um dann durch Aufbringen von Scheiben eine galvanische Verbindung zwischen dem oberen Ende der Thermoelektrode und der eigentlichen Kontaktebene des Trägers zu erzeugen. Hierbei entsteht der heiße Anschluß des Thermoelementes zwischen dem oberen Elektrodenende und der Scheibe, so daß in unerwünschter Weise zwischen der Scheibe und dem Träger ein neuer heißer Anschluß entsteht. Außerdem ergibt sich bei einer solchen Ausbildung eine unregelmäßige Ternperaturkontaktebene, die nicht für die Behandlung von großflächigem Gut, wie Papierbahnen oder dergleichen, geeignet ist. Auch können nur örtliche Temperaturänderungen erfaßt weraen.

Sofern man bisher mit Abstand zwei konventionelle Thermoelemente verwendet hat (DT-PS 5 07 069), konnte man nur die Temperatur an zwei auseinanderliegenden Punkten messen, wobei dann die Verbindung zwischen den beiden einander zugewandten Elektroden der beiden Thermoelemente nicht zu der zu messenden und zu regelnden Kontaktfläche gehört, so daß Temperaturschwankungen auf der überbrückten Strekke zwischen den beiden Punkten keinerlei Einfluß auf die Temperatur an den beiden heißen Anschlüssen haben.

Diesem Stande der Technik gegenüber bringt die vorliegende Erfindung nachfolgende Vorteile:

1. Es kann die Temperatur der Strecke zwischen der Thermoelementen-Elektroden genau eingestell und gemessen werden. Die im stationären Zustanc an einem Millivoltmeter erfaßte Temperatu betrifft nicht nur die Endpunkte der Meßstreckc sondern auch alle Zwischenpunkte der Meßstrecke

2. Wenn bei der Behandlung vor. Bahnen mi inhomogener Feuchtigkeitsverteilung Temperatur Schwankungen auftreten, werden diese schnell un> sicher beseitigt.

3. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann man von einer linearen Temperaturregelung zu einer zwei- oder dreidimensionalen Temperaturregelung kommen, indem man die Elektroden in die Eckpunkte einer zweidimensiona';:.n Flüche oder eines dreidimensionalen Körpers verlegt.

4. Wenn man zwischen allen Paaren ungleichnamiger Elektroden Widerstände einschaltet und diese entsprechend zusammenschaltet, wird eine noch bessere Temperaturbeherrschung möglich, und es wird auch im Falle von sehr großer Kontaktfeuchtigkeit ein Kurzschluß sämtlicher Thermoelemente verhindert.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigt

F i g. I einen Querschnitt durch eine Thermoelementenanordnung entsprechend dem bekannten Stand der Technik,

Fig.2 einen Querschnitt durch eine Thennoelementenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig.3 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Thermoelementenanordnung nach der Erfindung, die beidseitig einer durchlaufenden Materialbahn angeordnet ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung für eine zwcidimensionale Temperaturmessung an einer flachen Heizplatte,

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Walzenanordnung,

Fig.6 und 6A eine zylindrische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine zweidiniensionale Temperaturmessung mittels einer Brücken- -,5 schaltung,

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Regelvorrichtung für eine erfindungsgemäße Thermoelementeiianordnungund

Fig.8 eine schematische Darstellung der Anwendung der Erfindung bei einer mit konischen Endtcilen versehenen Walze.

F i g. 1 zeigt eine nachfolgend als Träger bezeichnete flache, beheizbare Platte 1, die beispielsweise elektrisch erwärmt wird. Beim Träger kann es sich zum Beispiel um eine stählerne Matrize oder einen Stempel oder aber auch aus Kupfer bestehende oder mit Kupfer beschichtete stählerne Heizplatte handeln. Die Oberfläche 2 des Trägers ist die eigentliche Meßebene, d.h. die Ebene, deren Temperatur gemessen werden seil. Da die Oberfläche 2 des Trägers 1 freigehalten werden muß, sind die für die Temperaturerfassung verwendeten Thermoelemente 3 von der Unterseite des Trägers t her an die Meßebene 2 herangeführt. Die Thermoelemente bestehen aus Elektroden A und B, welche aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen hergestellt sind. Der Träger 1 weist an seiner Unterseite eine Anzahl von Bohrungen 4 auf, in die die Elektroden A und ßmit Spiel derart eingesteckt sind, daß ihre Enden eine auf den Träger 1 galvanisch aufgebrachte Metallschicht 16 von der Unterseite her beaufschlagen. Bei der Metallschicht 16 kann es sich beispielsweise um eine dünne Chromschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm handeln. Zwischen dem Träger 1 und der Schicht 16 bildet sich in der Meßebene 2 zwischen den Elektroden A und B ein heißer Anschluß des Thermoelementes 3. Der Zwischenraum zwischen der Wand der Bohrungen 4 und den Elektroden IA, 3ß isl mit Isoliermaterial 6 ausgefüllt, Handelt es sich bei dem Träger 1 um eine Heizplatte, können die Heizspiralen nahe der Meßebene 2 verlaufen, und es kann die Temperatur bis auf 0,1ⁿ C genau geregelt werden.

Weil bei dieser bekannten Ausführungsform die Elektroden A und B dichl nebeneinander angeordnet sind, läßt sich die Temperatur an der Oberfläche der Meßebene nur örtlich erfassen. Die F i g, 1 zeigt eine Anzahl von Thermoelementen 3, die willkürlich über die Oberfläche der Meßfläehe verteilt sind. Eine Integralion der verschiedenen Messungen durch Reihenschaltung der Thermoelemente ist hier nicht möglich, weil bei einer Verbindung der Elektrode A des einen Thermoelements mit der Elektrode B des anderen Thermoelementes ein elektrischer Kurzschluß entsteht.

Die Fig.2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der Thermoelemente. Hier sind die beiden Elektroden 3/\ und 3ß eines Thermoelementes am Anfang und am Ende einer Meßstrecke angeordnet. So kann über diese lineare Meßstrecke eine Integration der örtlichen Temperaturdifferenzen staltfinden. Der Ausschlag eines angeschlossenen Millivoltmcters 7 ist somit ein Maß für die mittlere Temperatur auf dieser linienförmige!! Strecke der Meßebenc 2. Diese Anordnung zeigt die F i g. 2 bei einem Hohlzylinder 8, bei dem es sich beispielsweise um eine Walze oder eine Hohlachse handeln kann. In diesem Falle erstreckt sich der heiße Anschluß des Thermoelementes 3 über die gesamte Länge zwischen den Thcrmoclementen-Elekiroden A und B.

Die F i g. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Walzenpaar 9, 10, dessen Walzen so ausgebildet sind, wie es die Fig. 2 zeigt, um periodisch die Temperatur am Außenumfang der Walzen zu erfassen. Zwischen diesen Walzen 9, 10 wird eine Materialbahn Il hindurchgeführt. Durch die beidseitig der Bahn 11 angeordneten Thermoelemente 3A, 3/i kann man eine Auskunft über die Temperatur an der Ober- und Unterseite der Bahn 11 erhalten, weil die Berührungszone und -dauer zwischen den Walzen und der Bahn ausreichend groß ist, um eine unerwünschte Trägheit durch die inherente Wärmekapazität auszuschließen. Wenn man die Thermoelementenelektroden 3A.3B, wie in F i g. 3 dargestellt, einander gegenüberliegend anordnet, kann man auch beim Walzen einer Metallbahn periodisch die mittlere Temperatur im Bahnquerschnitt erfassen.

Durch diese Querschnitts-Temperaturmessung ist neben der linearen Temperaturmessung auch eine Oberflächen-Temperaturniessung eingeführt. So kann man mit zwei Thermoelementen die mittlere Temperatur an bzw. von einem als flache Platte ausgebildeten Meß- bzw. Heizelement bestimmt werden. Die F i g. 4 zeigt eine solche flache Heizplatte, bei der zwei Thermoelemente A\, Si und Λ2, ß: in den Ecken angeordnet sind. Die genannten Elektroden der Thermoelemente sind von der Unterseite her in passende Bohrungen eingesetzt und in der Meßebene galvanisch an der Metallsehichi 16 befestigt. Man erhält aui diese Weise vier heiße Anschlüsse, nämlich P. Q. R und Sund damit auch vicrThermo-EMK.

Eine solche OberflächentemperaturmesMing kann ebenfalls durchgeführt werden, wenn der Träger nicht eine flache Platte, sondern ein Zylinder ist. Dies zeigt die F i g. 5, in der eine Materialbahn 11 über eine Streckwalze 14 geführt wird. Vor und hinter der Streckwalze 14 befinden sieh je eine Spannrolle 12 und eine Stützrolle 1.1.

In der Nähe der Stirnendcn der Streckwalze 14 ist ein Thermoelement A. B angeordnet, so da U eine Temperaturmessung entlang der Achse der Matcrialbahn und entlang des Strcckwalzenumfanges durchgeführt werden kann. Durch eine integrierte Schaltung ist es ebenfalls möglich, die Temperatur der gesamten, mit der Streckwalze 14 in Berührung kommenden Oberfläche der Bahn 11 zu erfassen. Bei dieser Integration der Thermoelemente handelt es sich um die Brückcnschaltung 15, welche in F i g. 6 schematisch erläutert ist.

Durch die in den Eckpunkten der gebogenen, rechteckigen Meßebene angeordneten Elektroden Ai. ßi, A₂ und B₂ entstehen nicht nur die vier heißen Anschlüsse /^}, Q, R und 5, wie bei der flachen Platte gemäß !'ig.4, sondern auch noch parallel hierzu heiße Anschlüsse Γ/.wischen Ai, H\ und (7zwischen Ai. B₂. Es sind somit also insgesamt sechs heiße Anschlüsse bei Benutzung von nur zwei Thermoelementen vorhanden, so daß auch sechs Thermo-EM K entstehen. Diese Thcrino-EMK liegen an der Brückcnschaltung 15 mit den Widerständen ρ bis u an. Diese in Fig. b gezeigte Thermoclcktrodenkonfiguralion läßt sich auch bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 anwenden. So kann man je nach Erfordernis lineare, zweidimensionale und dreidimensionale Tempcniturmessungen durchführen.

In Verbindung mit einer Schaltung gemäß F i g. b ist auch eine Abwandlung gemäß Fig. ba möglich, bei der die diagonal eingeschalteten Widerstände durch Dioden 24 ersetzt sind. Auf diese Weise entstehen wieder weitere Integrationsmöglichkeiten der verschiedenen Thermoelemente.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß IMg. 7 soll die Temperatur eines Trägers gemessen und geregell werden, bei dem es sich um eine stehende Walze handelt, die mit einer nicht dargestellten umlaufenden Walze zusammenwirkt, /wischen diesen beiden Walzen wird eine Malerialbahn Il hindurchgeführt. Die Temperatur der Meß· oder Arbeitsfläche 2 läßt sich mit einem I leizelemeni 17 einstellen. Dieses Heizelement 17 gibt ihre Wärme über eine dünne, galvanisch aufgebrachte Schicht 16 aus Chrom oder Nickel unmittelbar an die Malerialbahn Il ab. Die Metallschicht Ib bildet die Zwischenelektrode /wischen den beiden Elektroden Λ und /files Thermoelementes 3, sie liegt zwischen den Anschlüssen /'und Q, wo die linden ilerThcrmoelemenleneli'ktroden 3Λ und Mi galvanisch mit der Metallschicht Ib verbunden sind, /wischen ilen Punkten /'und (,), welche in oiler nahe bei den Enden der Arbeitsfläche 2 liegen, erstreckt sich die Meßstieckc, welche durch ein einziges Thermoelement 3 überwacht wird. So kann man mit Hilfe eines einzigen Thermoelementes eine Hauptabmessung, in diesem Falle die axiale Länge des Trägers 8 bzw. die Breite der Materialwand 11 beherrschen.

Das nahe der Arbeitsebene 2 angeordnete Heizelement 17 wird aus einer Spannungsquelle 18 gespeist, zu der ein Widerstand 19 parallel geschaltet ist. Die Speisespannung für das Heizelement 17 wird zwischen dem Schleifkontakt 20 des Widerstandes 19 und der negativen Klemme der Spannungsquellc 18 abgenommen.

Sobald an irgendeinem Punkt, ■/.. B. Sder Meßstreckc /', Q eine Temperaturabnahme —ΔΤ infolge einer Feuchtigkeitskonzentration in der Malerialbahn 11 auftritt, führt dies zu einer Herabsetzung der Thcrmospannung V₁,,.

Um diese Abweichung beseitigen zu können, wird die momentane Spannung V_n, des Thermoelementes 3 einem Komparator 21 zugeführt, der auch eine Bezugsspannung V_rcl empfängt, die dem Sollwert der Thermospannung entspricht. Die vom Komparator 21 erfaßte DifferenzspannungΛ Vwird nach Verstärkung in einem Verstärker 22 als Δ V einem Motor 23 zugeführt.

Dieser Motor versetzt z. B. mittels eines nicht dargestellten Ritzel- und Zahnstangengetriebes den Schleifkontakt 20 nach links, so daß das Heizelement 17 an eine höhere Spannung gelangt und die Arbeitsebene 2 mehr Wärme erhält für den Ausgleich der von außen

bewirkten Abkühlung.

Die dünne Metallschicht 16 mil einer Dicke von einigen Mikron ermöglicht eine so schnelle Wiedergabe jeder von der eingestellten Temperatur ^abweichenden Temperatur, so daß man die Soll-Temperatur Γ bis auf 0.1"C genau einstellen kann.

Die Fig. H zeigt eine Walzcnform, die bei den hier beschriebenen Meß- und Rcgelverfahren zur Anwendung kommt, aber nicht unmittelbarer Gegenstand der Erfindung ist. Diese Walze wurde allein dargestellt, um

den Begriff »Meßstreckc« und »llauptabmessung« näher zu definieren. Unter »llauptabmessung« wird die größtmögliche Abmessung der Meßstreeke P. (,) übet die wirksame Berührungslinie oder die wirksame Berührungsfläche 2 verstanden. Eine llauplabmessun^

eines Trägers, beispielsweise bei der dargeslelltci Walze 8 die Achslänge, braucht gemäß der vorgeniinn ten Definition nicht unmittelbar milder axialen Länge / /usammenzufalk'n.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Palentansprüche:

1. In einem Trüger eingebaute Vorrichtung zum Messen und Regeln der Oberflächentemperatur des Trägers, bestehend aus mindestens einem Thermoelement, dessen zwei aus verschiedenen Metallen bestehende Elektroden elektrisch isoliert von der Rückseite her durch den Träger hindurchgeführt und mit ihren Enden an zwei auseinanderliegenden Stellen der Meßfläche des Trägers galvanisch angeschlossen sind, wobei der metallische, zwischen den Anschlußstellen liegende Abschnitt der Meßfläche eine Zwischenelektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstellen der Elektroden (Au B\; A₂, B₂) des Thermoelementes (3) an oder nahe den äußersten Enden einer mit einer Hauptabmessung (Länge, Breite, Umfang) des Trägers (1) zusammenfallenden Meßstrecke der Meßfläche (2) angeordnet sind und daß die Zwischenelektrode (5) zwischen den Anschlußstellen der beiden Thermoelementenelektroden (Au B\\ Αϊ, B₂) eine homogene und kontinuierliche Metallschicht ist, die sich über die gesamte Meßstrecke erstreckt, so daß die gemessene Temperatur ein Maß für die mittlere Temperatur der Meßstrecke wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für zweidimensionale Messungen der Temperatur einer metallischen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß in den vier Ecken des die Meßebene (2) definierenden Rechtekkes die Anschlußenden einer Thermoelementenelektrode (Au B\-, A₂, B₂) angeordnet sind, wobei die einander diagonal gegenüberliegenden Thermoelementenelektroden (Au A₂) aus gleichem Thermoelementenmetall bestehen, während die beiden anderen gleichartigen Thernnoelementenelektroden (ßi, B₂) aus einem unterschiedlichen Thermoelementenmetall hergestellt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Thermoelementenelektrode (A) aus Eisen, die andere Thermoelementenelektrode (B) aus Constantan und die Zwischenelektrode (5) aus Nickel besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Paar ungleichartiger Thermoelementenelektroden (A, B) ein Widerstand (p, q, r, s) eingeschaltet ist und daß diese Widerstände zu einer integrierenden Schaltung zusammengefaßt sind.