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Naueno-issledovatel'skij i opytno-konstruktorskij institut avtomatizacii
eernoj metallurgii Dnepropetrovsk (UdSSR) Einrichtung zur Messung der Temperatur
ferromagnetischer Körper Die Erfindung betrifft die Meßtechnik, insbesondere eine
Einrichtung zur Messung der Temperatur ferromagnetischer Körper.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann mit Erfolg in Formstahlvergütungssystemen
und Walzstraßen zur Kontrolle und Regelung bzw. Steuerung benutzt werden.
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Es sind Einrichtungen zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen
Körpern bekannt (vgl. SU-Monographie
G. P. Sedgenitse "Messung der
Temperatur yon rotierenden Maschinenteilen", 1962, S. 63), die zwei an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossene Induktivitätsspulen, zwei Gleichrichter und ein Meßgerät enthalten.
In dem Magnetfeld einer der Spulen wird der ferromagnetische Körper, dessen Temperatur
zu messen ist, untergebracht. Auf die Temperatur schließt man aus dem durch das
Meßgerät fließenden Strom, der von dem Gesamtersatzwiderstand des ferromagnetischen
Körpers im Meßabschnitt abhängt, wobei der Gesamtersatzwiderstand des ferromagnetischen
Körpers seinerseits von der Temperatur abhängig ist.
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Ein Nachteil dieser Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen
Körpern ist, daß ein genau unveränderlicher Abstand zwischen der Spule und dem Körper,
dessen Temperatur gemessen wird, eingehalten werden muß.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß die Einrichtung die lokale Oberflächentemperatur
des Körpers mißt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Mängel zu
beseitigen, d. h. eine Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen
Körpern zu schaffen, die man zur Steuerung bzw. Regelung der Vergütung durch Einhalten
einer über den Querschnitt mittleren Temperatur der ferromagnetischen Körper benutzen
kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung der Temperatur
ferromagnetischer Körper, mit zwei an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen
Induktivitätsspulen einschließlich dem zu messenden ferromagnetischen Körper in
dem Magnetfeld einer der Induktivitätsspulen, mit zwei
Gleichrichtern
und mit einem Meßgerät, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Induktivitätsspulen
solche Abmessungen und eine solche Windungszahl haben, daß das von ihnen erzeugte
Magnetfeld zur Sättigung des in der einen Induktivitätsspule untergebrachten ferromagnetischen
Körpers ausreicht; daß die Induktivitätsspulen untereinander in Reihe geschaltet
und mit an den Eingang der Gleichrichter angeschlossenen Meßwicklungen versehen
sind, während am Ausgang der Gleichrichter ein gleichpoliges Klemmenpaar kurzgeschlossen
und an das andere Klemmenpaar ein Potentiometer angeschlossen ist, an dem über das
Meßgerät eine Normalspannungsquelle für Gleichspannung anliegt.
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Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild
der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen
Körpern; Fig. 2 die Abhängigkeit des Verhältnisses der Sättigungsmagnetisierung
des ferromagnetischen Körpers bei beliebiger Temperatur zur Magnetisierung des ferromagnetischen
Körpers beim absoluten Nullpunkt von dem Verhältnis der absoluten Temperatur des
Körpers zur Curie-Temperatur, gemäß der Erfindung; Fig. 3 die Abhängigkeit der Anzeige
des Meßgerätes von der mittleren -Temperatur über den Querschnitt des ferromagnetischen
Körpers, gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 die Temperaturverteilung
über den Querschnitt des ferromagnetischen Körpers, gemäß der Erfindung.
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Die Prinzipschalotung der Einrichtung zur Messung der Temperatur
von ferromagnetischen Körpern umfaßt in Reihe geschaltete Induktivitätsspulen 1
und 2 (Fig. 1) mit gleichen Abmessungen und gleicher Windungszahl, die an eine Wechselspannungsquelle
U1 angeschlossen werden, wobei als Wechselspannungsquelle das Stromnetz benutzt
ist.
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Die Induktivitätsspulen 1 und 2 sind aus Draht mit temperaturbeständiger
Isolation hergestellt. Meßwicklungen 3 und 4 mit Jeweils mehreren Meßwindungen sind
jeweils oberhalb der Spulen 1 und 2 gewickelt, wobei die Meßwicklung 3 an einen
Gleichrichter 5 und die Meßwicklung 4 an einen Gleichrichter 6 angeschlossen ist.
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Der Gleichrichter 5 ist mit Dioden 7, 8, 9, 10. und der Gleichrichter
mit Dioden 11, 12, 13, 14 in Brückenschaltung ausgeführt. Zwischen die verschieden
gepolten Klemmen der Gleichrichter 5 und 6 sind jeweils gleichgroße Belastungswiderstände
15 und 16 geschaltet.- Die Minusklemmen der Gleichrichter 5 und 6 sind kurzgeschlossen,
Zwischen den Plusklemmen der Gleichrichter 5 und 6 liegt ein Potentiometer 17. Die
Plusklemme des. Gleichrichters 5 ist an den Minuspol einer Normalgleichspannungsquelle
18 mit der Gleichspannung U2 gelegt, deren Pluspol über ein Meßgerät 19 an den Schleifer
des Potentiometers 17 gelegt ist.
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Das Meßgerät 19 stellt ein in Celsiusgraden geeichtes bochohmiges
Drehspulvoltmeter dar.
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Ein ferromagnetischer Körper 20, dessen Temperatur gemessen wird,
ist in der Induktivitätsspule 2 untergebracht.
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Das von den Induktivitätsspulen 1 und 2 ereugte mamagnetische Wechselfeld
reicht zur Sättigung des magnetischen Körpers 20 aus, dessen Temperatur gemessen
wird.
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Aufgrund -von Erfahrungswerten werden zur Sicherung einer Sättigung
von zylindrischen ferromagnetischen Körpern mit einem Durchmesser von 10 mm Induktivitätsspulen
mit einer Magnetisierungskraft von 10 000 - 12 000 A und filr Körper mit einem Durchmesser
von 20 um Spulen tnit einer Magnetisierungskraft von 18 000 - 24 000 A benötigt.
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-Dic Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferremagnetischen
Körpern funktioniert wie folgt: Bei Fehlen des ferromagnetischen Körpers 20 in der
Induktivitätsspule 2 sind infolge der Gleichheit der Spulen 1 und 2 deren magnetische
Wechsel felder untereinander gleich.
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Die Von den magnetischen Wechselflüssen der Spulen 1 und 2 in den
Meßwicklungen 3 und 4 induzierten elektromotorischen Kräfte sind auch untereinander
gleich. Hierbei ist die Differenz der Potentiale an den Klemmen des Potentiometers
17 gleich Null Die Anzeige des Meßgerätes 19 entspricht der Spannung U2 der Normalspannungsquelle
18. Beim Einbringen des kalten ferromagnetischen Körpers 20 in die Induktivitätsspule
2 steigt an den Klemmen der Meßwicklung 4 die EMK um einen dem Produkt aus der Magnetisierung
des ferromagnetischen Körpers 20 und seinem Querschnitt proportionalen Wert an.
Hierbei ist die Anzeige des Meßgerätes 19 gleich der Differenz zwischen der Spannung
U2 der Normalquelle 18
und dem Spannungsabfall am Potentiometer
17. Durch Verschiebung des Schleifers vom Potentiometer 17 wird der Zeiger (l*s
Meßgerätes 19 auf Null eingestellt. Dadurch wird erreicht, daß bei gegebenem Querschnitt
des gesättigten ferromagnetischen Körpers 20 die Anzeige des Meßgerätes 19 nur von
tier Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen Körpers 20 abhängt, die eindentig
mit der Temperatur verknüpft ist, und daB mit Anstieg der Temperatur des Körpers
20 die Anzeige des Meßgerätes 19 ansteigt.
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Ist der in der Induktivitätsspule 2 befindliche Körper 20 erhitzt,
so hat die EMK an den Klemmen der Meßwicklung 4 einen gegenüber dem kalten Zustand
des Körpers 20 geringeren Wert, was~durch die Abhängigkeit der Sättigüngsmagnetisierung
von der Temperatur bedingt ist. Hierbei ist die Spannung an den Klemmen des Potentiometers
17 geringer als im Falle eines kalten Körpers 20, und an den Klemmen des Meßgerätes
19 erscheint eine von Null verschiedene Spannung, die eindeutig mit der Temperatur
des ferromagneti-.
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sehen Körpers 20 verknüpft ist.
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Das vorstehend Dargelegte wird durch die nachstehend folgenden Berechnungen
erläutert.
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Die Sättigungsmagnetisierung von ferromagnetischen Körpern ist eindentig
mit deren Tempe@atu@ durch f@lgend@ Beziehung verknüpft:
| j J /j |
| 1 - 1 o bzw. |
| - = t w. |
| Jo 5 2 Jl |
| 0 1 + 9I,J -(1) |
| l n 1 - Jo |
| 1 0 |
Hierin bedeuten: J1 = Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen
Körpers bei der Temperatur #1; J = Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen
0 Körpers beim absoluten Nullpunkt; li = absolute Temperatur des ferromagnetischen
Körpers; e = absolute Curie-Temperatur des ferromagnetischen Körpers.
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Die graphische Darstellung der Funktion (1) zeigt Fig.
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2, wo auf der Abszissenachse das Verhältnis der Temperatur ferromagnetischen
Körpers zur Curie-Temperatur in absoluten Graden und auf der Ordinatenachse das
Verhältnis der Sättigungsmagnetisierung bei gegebener Temperatur zur Sättigungsmagnetisierung
beim absoluten Nullpunkt aufgetragen ist.
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Die Magnetisierung j1 im Bereich von -273 OC bis 100 °C übersteigt
nicht 1 %, was erlaubt, Jo = J2 zu setzen, wobei J@ die Sättigungsmagnetisierung
des ferromagnetischen Körpers im Bereich von -273°C bis 100°C ist.
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Die Induktion in der Spule ohne ferromagnetischen Körper betiägt
B1 = µo H mit B1 @@duktion im Inneren der Induktivitätsspule
H =
Stärke des Magnetfeldes im Inneren der Induktivitätsspule, µo = Permeabilität der
Luft.
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Der Induktions- oder Magnetfluß der Induktivitätsspule ohne ferromagnetischen
Körper ist
mit ¢1 = magnetischer Gesamtfluß der Induktivitätsspule, S1 = Querschnittsfläche
der Induktivitätsspule.
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Die Induktion innerhalb der Induktivitätsspule mit dem ferromagnetischen
Körper bei einer Magnerfeldstärke, die die Sättigung des ferromagnetischen Körpers
sichert, beträgt B2 = /Uo (H + J1}' worin B2 die Induktion innerhalb der Induktivitätsspule
mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körper ist.
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Der von der Induktivitätsspule mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen
Körper erzeugte Magnetfluß ergibt sich zu
worin ¢2 der magnetische Gesamtfluß und S2 der Querschnitt des ferromagnetischen
Körpers ist.
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Die mittlere in der Meßwicklung bzw. den Meßwindungen der Induktivitätsspule
induzierte EMK beträgt
mit et = mittlere in den Meßwindungen der Induktivitätsspule induzierte EMK, w =
Anzahl der Meßwindungen, T bzw. f = Periode bzw. Frequenz der Wechselspannungsquelle,
t = Zeit.
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Der Mittelwert der in der Meßwicklung bzw. den Neßwindungen der Induktivitätsspule
mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körpers induzierten ENK ergibt sich
zu
worin e2 der Mittelwert der in den Neßwindungen der Induktivitätsspule mit dem darin
untergebrachten ferromagnetischen Körper induzierten EMK ist.
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Die Differenz der mittleren EMK-Werte beträgt
Hierbei liegt zwischen der Klemme des an den Gleichrichter, der
mit der Meßwicklung der Induktivitätsspule ohne ferromagnetischen Körper verbunden
ist, angeschlossenen Potentiometers und dem Potentiometerschleifer eine Spannung
wobei K ein von der Stellung des Schleifers abhängiger Koeffizient ist.
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Bei gleichmäßig erhitztem ferromagnetischem Körper ist die Sättigungsmagnetisierung
J1 in jedem beliebigen Punkt von dessen Querschnitt konstant. Dann ist U = K # 4f
# w # µo # J1 S2 und
Dieses Verhältnis hängt eindeutig von der Temperatur ab.
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Stellt man bei beliebigem Querschnitt S2 des kalten, bis zur Sättigung
magnetisierten ferromagnetischen Körpers ein und denselben Wert U = U2 = Const ein,
was durch Nulleinstellung des Meßgerätezeigers bei Unterbringung des kalten Körpers
von gegebenem Querschnitt in einer der Induktivitätsspulen erreicht wird, so ist
bei beliebigem Querschnitt des ferromagnetischen Körpers
Bei Anstieg der Temperatur des ferromagnetischen Körpers nimmt
U in Übereinstimmung mit der Beziehung (2) ab, während sich die mit dem Meßgerät
gemessene Spannung von O bis auf U2 in Übereinstimmung mit der in Fig. 3 gezeigten
graphischen Darstellung ändert, wo aüf der Abszissenachse die Temperatur des ferromagnetischen
Körpers in OC und auf der Ordinatenachse das Verhältnis der Spannung an den Klemmen
des Meßgerätes zur Spannung der Normalquelle aufgetragen ist.
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Fig. 4 zeigt die Temperaturverteilung über den Querschnitt eines
zylindrischen ferromagnetischen Körpers, wo auf der Abszissenachse der Querschnittshalbmesser
des ferromagnetischen Körpers und auf der Ordinatenachse seine Temperatur aufgetragen
ist. Die elementare Wärmemenge de in einem Einheitsringvolumen dv der Dicke dr beträgt:
dQ = CXr2 dv = l 2- 2 2# rdr.
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Hierin bedeuten Q = Wärmemenge im Körper, C = Wärmekapazität des Körpers,
g = Dichte des Körpers, #@ = = lokale Temperatur der verschiedenen Punkte des Querschnitts
in °C, r = laufende Koordinate des Querschnittshalbmessers des zylindrischen ferromagnetischen
Körpers.
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Die Gesamtwärmeinenge in einem Einheitsvolumen des ferromagnetischen
Körpers beträgt
worin R der Halbmesser des zylindrischen ferromagnetischen Körpers
ist.
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Die gleiche Wärmemenge bei einem gleichmäßig erhitzten ferromagnetischen
Körper ergibt sich zu Q = C## # R2 # #3, wobei T 3 die an allen Punkten des Querschnitts
gleiche Temperatur ist.
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Hieraus folgt
Nach Linearisierung der Funktion (1) auf dem Meßabschnitt ergibt sich U = U2 (1
- α Z2), worin Cc der Winkelkoeffizient der linearen Funktion ist.
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Dann ist
Die Spannung U3, die mit dem Meßgerät gemessen wird, beträgt U3 = U2 - U = U2 α
Aus
dem vorstehend Dargelegten ist ersichtlich, daß bei einem ungleichmäßig über den
Querschnitt erhitzten ferromagnetischen Körper die Einrichtung die Durchschnittstemperatur
über den Querschnitt des Körpers mißt.
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Prinzipiell brauchen die Magnetisierungsspulen nicht identisch zu
sein, jedoch muß das Verhältnis W3 W2 G2 - # W4 W1 G1 eingehalten werden. Hierin
bedeuten: W1 =Windungszahl der ersten Induktivitätsspule, W2 = Windungszahl der
zweiten Induktivitätsspule, w = Anzahl der auf die erste Induktivitätsspule gewickelten
Meßwindungen, W4 = Zahl der auf die zweite Induktivitätsspule gewickelten Meßwindungen,
G1 = magnetische Leitfähigkeit der ersten Induktivitätsspule, und G2 = magnetische
Leitfähigkeit der zweiten Induktivitätsspule.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann am wirksamsten zur Kontrolle
der Durchschnittstemperatur von Formstahl sowie als Durchschnittstemperaturgeber
in Steuer- bzw. Regelsystemen für Formstahlvergütung benutzt werden, was die Gewinnung
von stabilen mechanischen Eigenschaften für Formstahl sichert.