DE2300167B2

DE2300167B2 - Einrichtung zur Messung der Temperatur ferromagnetischer Körper

Info

Publication number: DE2300167B2
Application number: DE19732300167
Authority: DE
Inventors: Rudolf Vladimirovitsch Gvosdev; Aleksandr Petrovitsch Nasarenko
Original assignee: NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ I OPYTNO- KONSTRUKTORSKIJ INSTITUT AVTOMATISACII TSCHERNOJ METALLURGII DNEPROPETROWSK (SOWJETUNION)
Current assignee: NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ I OPYTNO- KONSTRUKTORSKIJ INSTITUT AVTOMATISACII TSCHERNOJ METALLURGII DNEPROPETROWSK (SOWJETUNION)
Priority date: 1973-01-03
Filing date: 1973-01-03
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2300167A1; DE2300167C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Temperatur ferromagnetischer Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Als ferromagnetischer Körper kommen insbesondere Stahl in Formstahlvergütungssystemen und Walzgut in Walzstraßen in Frage, wobei eine derartige Einrichtung zur Regelung bzw. Steuerung benutzt werden kann.

Bei einer bekannten Einrichtung zur Messung der Temperatur ferromagnetischer Körper (vgl. G. P. Sedgenitse, Messung der Temperatur von rotierenden Maschinenteilen, Moskau, 1962, S. 63 ff., insbesondere S. 66) sind zwei an eine Wechselspannungsquelle angeschlossene Induktionsspulen vorgesehen, die ausgangsseitig an eine Gleichrichtereinheit angeschaltet sind. Im Magnetfeld einer der Induktionsspulen ist der ferromagnetische Körper angeordnet, dessen Temperatur zu messen ist. Die Temperatur wird auf dem durch ein an die Gleichrichtereinheit angeschlossenen Meßgerät ermittelt, das von einem Strom durchflossen ist, der vom temperaturanhängigen Gesamt-Ersatzwiderstand des ferromagnetischen Körpers im Meßabschnitt abhängt.

Nachteile dieser bekannten Meßeinrichtung sind: ω> Notwendigkeit der Einhaltung eines bestimmten Abstands zwischen dem Körper und der zugeordneten Induktionsspule sowie

Messung nur der örtlichen Oberflächentemperatur des Körpers, obwohl gerade für Steuerungs- und Regelungs-Zwecke eine über den Körper-Querschnitt mittlere Temperatur erfaßt werden sollte.

Insbesondere den Nachteil der Messung nur der

örtlichen Oberflächentemperatur des Körpers zeigt auch eine bekannte Einrichtung (vgl. DE-AS 12 58 825) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wobei der ferromagnetische Körper strangförmiges metallisches Gut, insbesondere ein Draht oder ein Band ist, das zwei konzentrisch angeordnete. Primär- und Sekundärwicklung jeweils aufweisende Lufttransformatoren durchläuft, deren Primärwicklungen in Reihe und deren Sekundärwicklungen in Differenz geschaltet sind, denen ihrerseits ein Wechselstrom-Spannungsverstärker und ein Demodulator nachgeschaltet sind, an dessen Ausgang eine Gleichspannung die zwischen den Meßstellen' bestehende Temperaturdifferenz anzeigt Dabei dient die von Wirbelströmen im Meßgut bewirkte Induktivitätsänderung zur Messung der Leitfähigkeit des Guts und damit zur Anzeige der Temperatur-Meßwerte.

Außerdem ist bei dieser bekannten Meßeinrichtung die Temperaturmessung von verschiedenen Parametern abhängig, nämlich dem Querschnitt des ferromagnetischen Körpers, dem magnetischen Streufluß in den Transformatoren sowie der Feldstärke des Magnetfelds.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Meßeinrichtung dei eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Messung der Temperatur des ferromagnetischen Körpers als Mittelwert über den Körper-Querschnitt und zudem unabhängig von Parametern des Körpers und der Einrichtung, nämlich dem Körper-Querschnitt, dem magnetischen Streufluß und der magnetischen Feldstärke, gestattet

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs.

Dabei dient das Potentiometer mit der Normalspannungsquelle dazu, die Skala des Meßgeräts in Übereinstimmung mit der Temperaturänderung zu bringen und außerdem ein Eingehen des Körper-Querschnitts in den Temperatur-Meßwert auszuschließen.

Durch die eine bereits oben genannte Literaturstelle (vgl. DE-AS 12 58 625) sind zwar auch Temperaturmeßverfahren bekanntgeworden, bei denen metallisches Gut infolge dessen Induktivitätsänderung durch Temperaturänderung mittels Spulen gemessen wird, wobei die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Sättigungsinduktion ferromagnetischer Werkstoffe zur Temperaturmessung herangezogen wird. Dort werden aber derartige Temperaturmeßverfahren abgelehnt, weil sie keine ausreichenden Effekte ergeben würden, um sie ohne besonderen Aufwand in der Praxis durchzuführen, weshalb dort die von Wirbelströmen im Meßgut bewirkte Induktivitätsänderung, die ihrerseits von der Leitfähigkeit des Meßguts und damit letztlich von dessen Temperatur abhängt, ausgenutzt wird, um die bekannten ferromagnetischen Veränderungen nicht zur Messung heranziehen zu müssen.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur elektrischen Temperaturmessung unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Sättigungsinduktion ferromagnetischer Werkstoffe (vgl. DE-PS 9 69 054) sind zwei primärseitig in Reihe mit einer Luftspaltdrossel an einer Wechselspannung liegende Transformatoren mit scharfe Sättigungsknicke aufweisenden Eisenkernen vorgesehen, die bis in den Sättigungsbereich magnetisiert sind, von denen der eine der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird, während der andere auf konstanter Temperatur gehalten wird, und sekundärseitig unter Messung des resultierenden Sekundärstroms, dessen Größe ein Maß für die zu

messende Temperatur ist, gegeneinandergeschaltet sind, wobei durch einen einstellbaren Widerstand im Sekundärkreis der Transformatoren der in ihm fließende Strom so abgeglichen wird, daß er der Temperaturdifferenz zwischen beiden Transformatoren proportionalisL

Diese bekannte Vorrichtung kann erst recht nicht zum trägheits- und berührungsfreien Messen der über den Querschnitt gemittelten Temperatur von ferromagnetischen Körpern wie schnell bewegten Walzgütern verwendet werden, da ein Wärme-Kontakt zwischen dem Körper und dem einen Eisenkern in der kurzen Zeit gar nicht herstellbar ist Hinzu kommt der Aufwand für die Konstanthaltung der Temperatur des anderen Eisenkerns.

Schließlich ist eine Vorrichtung zum Steuern des elektroinduktiven Erhitzens metallischer Werkstücke bekannt geworden (vgL DE-PS 8 71933), um zum Körper die Wärmezufuhr genau zu bemessen bzw. diese Wärmemenge einzuhalten, wobei auch eine Gleichspannungsquelle zur Einsteilung des Kathoden-Gitter-Potentials eines Entladungsrohrs vorgesehen ist, das ein Relais zum Einleiten von Regel- oder Schaltvorgängen steuert Die dort verwendete Meßspule mißt eine sehr komplexe EMK, die von verschiedenen Parametern abhängt, insbesondere dem Werkstück-Querschnitt, dem Streufluß im Spalt zwischen Werkstück und Induktor sowie der Feldstärke des Magnetfelds in der Meßspule, zumal der Induktor, die Primär- und die Meßspule bzw. Meßleiterschleife die Sekundärwicklung eines Übertragers bilden, dessen Magnetschluß das Werkstück ist.

Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die erfindungsgemäße Einrichtung mit der Messung der Temperatur, während die Wärmemenge zwar eine von der Temperatur abhängige physikalische Größe ist, in die aber noch andere Größen wie z. B. die Wärmekapazität eingehen. Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die angezeigte Temperatur nur mit der temperaturabhängigen Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen Körpers verknüpft, ohne daß unkontrollierbare andere Parameter die Temperaturmessung verfälschen würden.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zur .Messung der Temperatur von ferromagnetischen Körpern,

F i g. 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,

F i g. 3 die Abhängigkeit der Anzeige des Meßgerätes von der mittleren Temperatur über den Querschnitt des ferromagneiischen Körpers, gemäß der Erfindung, und

Fig.4 die Temperaturverteilung über den Querschnitt des ferromagnetischen Körpers, gemäß der to Erfindung.

Die Prinzipschaltung der Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen Körpern umfaßt in Reihe geschaltete Induktionsspulen I und 2 (Fig. 1) mit gleichen Abmessungen und gleicher Windungszahl, die an eine Wechselspannungsquelle U\ angeschlossen werden, wobei als Wechselspannungsquelle das Stromnetz benutzt ist.

Die Induktionsspulen 1 und 2 sind aus Draht mit temperaturbeständiger Isolation hergestellt MeSwicklungen 3 und 4 mit jeweils mehreren Meßwindungen sind jeweils oberhalb der Spulen 1 und 2 gewickelt, wöbe: die Meßwicklung 3 an einen Gleichrichter 5 und die Meßwicklung 4 an einen Gleichrichter 6 angeschlossen ist

Der Gleichrichter 5 ist mit Dioden 7,8,9,10 und der Gleichrichter mit Dioden 11, !2,13,14 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 der Gleichspannung Lh gelegt deren Pluspol über ein Meßgerät 19 an den Schleifer des Potentiometers 17 gelegt ist

Das Meßgerät 19 stellt ein in Celsiusgraden geeichtes hochohmiges Drehspulvoltmeter dar.

Ein ferromagnetischer Körper 20, dessen Temperatur gemessen wird, ist in der Induktionsspule 2 untergebracht

Das von den Induktionsspulen 1 und 2 erzeugte magnetische Wechselfeld reicht zur Sättigung des magnetischen Körpers 20 aus, dessen Temperatur gemessen wird.

Aufgrund von Erfahrungswerten werden zur Sicherung einer Sättigung von zylindrischen ferromagnetischen Körpern mit einem Durchmesser von 10 mm Induktionsspulen mit einer Magnetisierungskraft von 10 000- 12 000 A und für Körper mit einem Durchmesser von 20 mm Spulen mit einer Magnetisierungskraft von 18 000 — 24 000 A benötigt

Die Einrichtung zur Messung der Temperatur von ferromagnetischen Körpern funktioniert wie folgt:

Bei Fehlen des ferromagnetischen Körpers 20 in der Induktionsspule 2 sind infolge der Gleichheit der Induktionsspulen 1 und 2 deren magnetische Wechselfelder untereinander gleich. Die von den magnetischen Wechselflüssen der Induktionsspulen 1 und 2 in den Meßwicklungen 3 und 4 induzierten elektromotorischen Kräfte (EMK's) 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 Lh 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 Lh der Normalspannungsquelle 18 und dem Spannungsabfall am Potentiometer 17. Durch Verschiebung des Schleifers vom Potentiometer 17 wird der Zeiger des Meßgerätes 19 auf Null eingestellt. Dadurch wird erreicht, daß bei gegebenem Querschnitt des gesättigten ferromagnetischen Körpers 20 die Anzeige des Meßgerätes 19 nur von der Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen Körpers 20 abhängt, die eindeutig mit der Temperatur verknüpft ist, und daß mit Anstieg der Temperatur des Körpers 20 die Anzeige des Meßgerätes 19 ansteigt.

Ist der in der Induktionsspule 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 Sättigungsmagnetisierung 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 ferromagnetischen Körpe/s 20 verknüpft ist.

Das vorstehend Dargelegte wird durch die nachstehend folgenden Berechnungen erläutert.

Die Sättigungsmagnetisierung / von ferromagnetischen Körpern ist eindeutig mit deren Temperatur τ durch folgende Beziehung verknüpft:

= th -'

In

I +JJJ₀
I -JiIJ₀

(D

20

Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen Körpers bei der Temperatur Ti;
Sättigungsmagnetisxrung des ferromagnetischen Körpers beim absoluten Nullpunkt;
absolute Temperatur des ferromagnetischen Körpers;

absolute Curie-Temperatur des ferromagnetischen Körpers.

Die graphische Darstellung der Funktion (1) zeigt F i g. 2, wo auf der Abszissenachse das Verhältnis der Temperatur des 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.

Die Magnetisierung J\ im Bereich von —273° C bis 100°C übersteigt nicht 1%, was erlaubt, J₀ = h zu to setzen, wobei /2 die Sättigungsmagnetisierung des ferromagnetischen Körpers im Bereich von — 273°C bis 100⁰CiSt.

Die Induktion in der Induktionsspule ohne ferromagnetischen Körper beträgt

S₁ =

B\ — Induktion im Inneren der Induktionsspule;

H = Stärke des Magnetfeldes im Inneren der Induktionsspule,
μο = Permeabilität der Luft

Der Induktions- oder Magnetfluß der Induktionsspule ohne ferromagnetischen Körper ist

55

</>, = „₀ j HdS

Φι — magnetischer Gesamtfluß der Induktionsspule,
Si = Querschnittsfläche der Induktionsspule.

Die Induktion innerhalb tier Induktionsspule mit dem ferromagnetischen Körper bei einer Magnetfeldstärke, die die Sättigung des ferromagnetischen Körpers sichert, beträgt

B₂ = μο (H + h),

worin fi₂ die Induktion innerhalb der Induktionsspule mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körper ist.

Der von der Induktionsspule mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körper erzeugte Magnetfluß ergibt sich zu

Φι = »ο j HdS+ ,I₀ j J₁ dS,

15 mit S₂ =

magnetischer Gesamtfluß

Querschnitt des ferromagnetischen Körpers.

Die mittlerere in der Meßwicklung bzw. den Meßwindungen der Induktionsspule induzierte EMK beträgt

+Φι

2 ΓάΦ

-Φι

^d' ⁼

= 4/,v,₀/_W

mit

ei = mittlere in den Meßwicklungen der Induktionsspule induzierte EMK,
w = Anzahl der Meßwindungen,
T = Periode bzw. Frequenz der Wechselspannungs-/ quelle,
/ = Zeit.

Der Mittelwert der in der Meßwicklung bzw. den Meßwindungen der Induktionsspule mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körpers induzierten EMK ergibt sich zu

e, = 4/w.»o / H ■ aS + 4f W₁I₀ J J, ■ dS,

worin ei der Mittelwert der in den Meßwindungen der Induktionsspule mit dem darin untergebrachten ferromagnetischen Körper induzierten EMK ist.
Die Differenz der mittleren EM K-Werte beträgt

— ei = 4/ iv Ii

dS.

Hierbei liegt zwischen der Klemme des an den Gleichrichter, der mit der Meßwicklung der Induktionsspule ohne ferromagnetischen Körper verbunden ist, angeschlossenen Potentiometers und dem Potentiometerschleifer eine Spannung

U = K4fw'i,₀ j JfdS,

wobei K ein von der Stellung des Schleifers abhängiger Koeffizient ist

Bei gleichmäßig erhitztem ferromagnetischem Körper ist die Sättigungsmagnetisierung J\ in jedem

beliebigen Punkt von dessen Querschnitt konstant. Dann ist

Die gleiche Wärmemenge bei einem gleichmäßig erhitzten ferromagnetischen Körper ergibt sich zu

U = K-4J-

· J₁ S₂

0 =

■ R²

U₂

L·.
J₂

mit τι = die an allen Punkten des Querschnitts gleiche Temperatur.
Hieraus folgt

Dieses Verhältnis hängt eindeutig von der Temperatur ab.

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 Induktionsspulen erreicht wird, so ist bei beliebigem Querschnitt des ferromagnetischen Körpers

² f

T₂ rdr.

Nach Linearisierung der Funktion (1) auf dem Meßabschnitt ergibt sich

U = U₂{\ -,XT₂),

mit (x = Winkelkoeffizient der linearen Funktion.
Dann ist

= U₂-Ih

JiU₂

(2)

(7 = K4fw.no J₂S₂ -

K 4 f Wn₀J₂ S₂

Die Spannung U₃,, die mit dem Meßgerät gemessen wird, beträgt

Ui = U₂-U = U₂HT₃.

Bei Anstieg der Temperatur des ferromagnetischen 25 = U₂ — U₂ α — _T / T₂ rdr. Körpers nimmt U in Übereinstimmung mit der ^R £

Beziehung (2) ab, während sich die mit dem Meßgerät gemessene Spannung von 0 bis auf U₂ in Übereinstimmung mit der in Fig. 3 gezeigten graphischen Darstellung ändert, wo auf der Abszissenachse die Temperatur des ferromagnetischen Körpers in "C und auf der Ordinatenachse das Verhältnis der Spannung an den Klemmen des Meßgerätes zur Spannung der Normalspannungsquelle aufgetragen ist.

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 d(? in einem Einheitsringvolumen dvder Dicke drbeträgt:

dQ —

d ν = Cyx₂2 π rdr

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.

Prinzipiell brauchen die Induktionsspulen nicht identisch zu sein, jedoch muß das Verhältnis

3 _ W₂ G₂
W* W₁ G₁

Wärmemenge im Körper,
Wärmekapazität des Körpers,
Dichte des Körpers,

lokale Temperatur der verschiedenen Punkte des Querschnitts in ⁰C,

laufender Radius des Querschnitts des zylindrischen ferromagnetischen Körpers.

Die Gesamtwärmemenge in einem Einheitsvolumen des ferromagnetischen Körpers beträgt

Q = 2.TCy Ct₂ rdr,

eingehalten werden. Hiei in bedeuten:

= Windungszahl der ersten Induktionsspule,
= Windungszahl der zweiten Induktionsspule,
=Anzahl der auf die erste Induktionsspule gewickelten Meßwindungen,

= Zahl der auf die zweite Induktionsspule gewickelten Meßwindungen,
G\ = magnetische Leitfähigkeit der ersten Induktionsspule, und

G₂= magnetische Leitfähigkeit der zweiten Induktionsspule.

mit R = Außen-Radius des zylindrischen ferromagnetischen Körpers.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann sehr wirksam zur Kontrolle der Durchschnittstemperatur von Formstahl sowie als Durchschnittstemperaturgeber in Steuer- bzw. Regelsystemen für Formstahlvergütung benutzt werden, was stabile mechanische Eigenschaften für Formstahl sichert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Messung der Temperatur ferromagnetischer Körper,

— mit zwei an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Induktionsspulen,

— deren Kern durch den ferromagnetischen Körper gebildet ist und deren Meßwicklung an eine Gleichrichtereinheit angeschaltet ist,

— um die durch Temperaturänderungen des Körpers bedingten Änderungen in der induzierten Spannung zu erfassen,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) der ferromagnetische Körper (20) nur die eine is (2) der beiden Induktionsspulen (1, 2) durchsetzt,

b) die Induktionsspulen (1,2) derartige Abmessungen und eine derartige Windungszahl haben, daß das von ihnen erzeugte Magnetfeld zur Sättigung des in der einen Induktionsspule (2) untergebrachten ferromagnetischen Körpers (20) ausreicht,

c) die Meßwicklung (3, 4) der beiden Induktionsspulen (1, 2) jeweils mit einem eigenen Gleichrichter (5,6) verbunden ist, und

d) am Ausgang der Gleichrichter (5,6) deren eines gleichpoliges Klemmenpaar kurzgeschlossen und deren anderes Klemmenpaar an ein Potentiometer (17) angeschlossen ist, an das jo über ein Meßgerät (19) eine Normalspannungsquelle (18) für Gleichspannung (U2) angeschlossen ist.