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Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Induktions-Härteanlage
Die Erfindung batrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Induktions-Härteanlage.
Es ist bekannt, eine Überwachung derartiger Anlagen durch optische Temperaturkontrolle
mit Strahlungsmeßgeräten vorzunehmen. Abgesehen davon, daß eine derartige Überwachung
im Einblick auf den Preis einer geeigneten Vorrichtung nur relativ selten vorgenommen
wird, besitzt sie den Nachteil, daß nur ein Meßfleck und nicht die ganze Härtezone
des zu härtenden Werkstücks beobachtet werden kann. Außerdem läßt sich eine derartige
optische Temperaturkontrolle nur dann vornehmen, wenn die Sicht in der Härteanlage
nicht durch Induktor, Brause, Zunder oder Dämpfe beeinträchtigt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Überwachung einer Induktions-Härteanlage zu schaffen, die diese Nachteile nicht
aufweist. Ausgehend von der Erkenntnis, daß die der Härteanlage zugeführte Wärmemenge
ein gutes Kriterium für die Überwachung der Härteanlage darstellt, ist die Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktionsstrom
und der Induktionsspannung
proportionale Spannungen den Eingängen eines Multiplizierers aufgeschaltet sind,
dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators verbunden ist, dem Mittel zum Einleiten
des Integrationsvorganges synchron mit dem Aufheizvorgang zugeordnet sind und der
ausgangsseitig mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht.
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In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird also die zugeführte
Wärmemenge als elektrische Energie ermittelt, wobei aber nicht eine einfache Energiemessung
erfolgt, sondern eine Integration der zugeführten elektrischen Leistung über die
Aufheizzeit. Da nämlich die Leistung sich während der Aufheizzeit ändert, und zwar
besonders stark im Bereich der Curie-Temperatur, kann man den Energiewert nicht
einfach durch Multiplikation der Leistung mit der Härte zeit errechnen, sondern
muß eine Integration der elektrischen Leistung über der Aufheizzeit vornehmen.
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Da ferner die Multiplikation des der Induktionsspannung proportionalen
Eingangssignals mit dem dem Induktionsstrom proportionalen Eingangssignal ein Glied
liefert, das die doppelte Frequenz enthält,kann es zweckmäßig sein, zum Herausfiltern
dieses Gliedes ein Frequenzfilter vorzusehen, so daß dem Integrator nur das der
Wirkleistung proportionale Gleichspannungsglied in dem Produkt zugeführt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine Vielzahl von
Größen erfaßt werden, die einen - häufig unerwünschten - Einfluß auf die Qualität
der Härtung haben können. Zu diesen Einflußgrößen gehören die Aufheizzeit, die Härtetemperatur,
die Erwärmungstiefe am Werkstück, die Ausdehnung der Erwärmungszone, der Wirkungsgrad
des Induktors der Härteanlage, beispielsweise Änderungen des Wirkungsgrades durch
Abfall von Transformatorblechen oder Korrosion, die Position des Werkstücks relativ
zum Induktor
und die Rotation des Werkstücks innerhalb des Induktors.
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In allen diesen Fällen ergibt sich eine Abweichung der integrierten
Spannung von ihrem Sollwert. Diese Abweichung kann man beispielsweise mittels eines
Meßinstruments, das einen Bestandteil der Auswerteeinheit bildet, ermitteln. Grundsätzlich
ist es aber auch möglich, über den Wert der integrierten Spannung ein Fehlersignal
anderer Art zu erzeugen oder aber einen Regelvorgang einzuleiten, der eine Änderung
des Induktionsstromes und/ oder der Aufheizzeit bis zur Gleichheit von Soll- und
Istwert der zugeführten Energie veranlaßt.
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Dem Integrator wird man Mittel zur Entladung zuordnen, die automatisch
eine vorbestimmte Zeit nach Beendigung des Aufheizvorganges ansprechen, wenn zur
Auswertung der integrierten Spannung und damit des ermittelten Energiewertes eine
gewisse Zeitspanne nach Beendigung des Aufheizvorgangs erforderlich ist.
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Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Auswerteeinheit ein
Meßinstrument enthält, das abgelesen werden muß.
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Man kann aber dem Integrator auch einen von Hand betätigbaren Löschkontakt
zuordnen, so daß die Dauer der zum Ablesen oder Registrieren des Meßergebnisses
erforderlichen Zeit dem jeweiligen Einzelfall angepaßt werden kann.
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Das erwähnte Meßinstrument kann ein direkt in Energiewerten, beispielsweise
MWs, geeichter Spannungsmesser sein. Zweckmäßigerweise wird man dem Meßinstrument
einen Meßbereichswähler zuordnen, und bei unbekannten Energiewerten wird man in
üblicher Weise zunächst den größten Meßbereich einschalten. Da sich leicht eine
lineare Kennlinie als Zusammenhang zwischen der integrierten Spannung einerseits
und den zugeordneten Energiewerten andererseits erzielen läßt, können auch höhere
Energiewerte erfaßt werden, indem man die Aufheizzeit in Teilabschnitte unterteilt
und
den Integrator mehrmals beispielsweise bis zur Maximalspannung
auflädt und dann schnell wieder entlädt. Die insgesamt zugeführte elektrische Energie
ergibt sich dann als Summe der verschiedenen Spannungswerte.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Figur.
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Die Klemmen 1 und 2 sind an die Wechselspannungsversorgung angeschlossen.
Der Klemme 3 wird eine der Induktionsspannung proportionale Spannung zugeführt,
Klemme 4 ist die Masseklemme der Schaltungsanordnung, und Klemme 5 wird eine dem
Induktionsstrom proportionale Spannung zugeleitet. Die den Klemmen 3 und 5 zugeführten
Meßspannungen werden beispielsweise an den entsprechenden Eingängen eines in einer
Schalttafel vorgesehenen Leistungsmessers in an sich bekannter Weise abgegriffen.
Die Klemmen 6 und 7 sind an Punkte einer Steuerschaltung der Härteanlage geführt,
die während des Aufheizvorgangs die Speisespannung (Klemmen 1 und 2) über die Gleichrichteranordnung
8 auf die beiden Relais A und B geben.
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Während des Aufheizvorgangs sind demgemäß die beiden Relais A und
B erregt, so daß die beiden Kontakte a1 und a2 im mittleren Teil der Schaltung umgelegt
sowie die Kontakte b1 und b2 geschlossen sind.
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Zur Einleitung des Kontrollvorganges ist es jedoch erforderlich, den
Haupt schalter 9 zu betätigen, so daß über den Gleichrichter 10 das beispielsweise
mit Reed-Kontakten bestückte Relais C anspricht. Dieses Relais hält sich über seinen
parallel zu dem Kontakt b2 liegenden Kontakt c1; außerdem hebt es durch Schließen
seines Kontaktes c2 den über das angesteuerte elektronische Bauelement ii erfolgenden
Kurzschluß des Kondensators 12 des Integrators 13 auf. Nach der durch diesen Kurzschluß
sichergestellten
Entladung des Kondensators 12 auf einen vorgegebenen
Ladungszustand kann nunmehr die Aufladung des Integrators erfolgen.
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Zu diesem Zweck wird die an der Klemme 3 stehende,der Induktionsspannung
proportionale Spannung über einen Phasenschieber, bestehend aus dem Widerstand 14
und dem Kondensator 15, und den Anpaßverstärker 16 dem einen Eingang des Multiplizierers
17 zugeführt, während die an der Klemme 5 anstehende, dem Induktionsstrom proportionale
Spannung ohne Passieren eines Phasenschiebers, aber ebenfalls über einen Anpaßverstärker
18, dem anderen Eingang des Multiplizierers 17 zugeführt wird. Der Phasenschieber
14, 15 ist so eingestellt, daß er die zur Messung der Wirkleistung erforderliche
Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung sicherstellt. Im übrigen erfolgt
die Zuführung der beiden Meßspannungen zu den Verstärkern 16 und 18 über Spannungsteiler,
deren Aufbau und Auslegung dem Fachmann überlassen bleiben kann.
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An den Ausgang des Multiplizierers 17 ist der Abgleichwiderstand 19
angeschlossen, an den sich ein als wesentlichen Bestandteil den Kondensator 20 enthaltender
Frequenzfilter anschließt.
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Durch die Multiplikation des strom- und des spannungsproportionalen
Signals im Multiplizierer 17 ergibt sich an dessem Ausgang nämlich eine Spannung,
die außer dem hier interessierenden, da die Wirkleistung darstellenden Gleichspannungsglied
auch ein Glied enthält, das mit der doppelten Frequenz der Signalspannungen an den
Klemmen 3 und 5 periodisch ist. Bei einer Mittelfrequenz-Induktions-Härteanlage,
die mit 10 kHz betrieben wird, liegt hier also eine Frequenz von 20 kHz vor. Dieses
Frequenzglied wird durch den Kondensator 20 entfernt, so daß dem Integrator 13 mit
seinem Kondensator 12 eine Gleichspannung über den jetzt geschlossenen Kontakt b1
zugeführt wird. Die Aufladung des Kondensators 12 und damit die Speicherung beginnt
etwa mit
dem Schließen des Kontaktes c2, d.h. etwa mit dem Schließen
des Hauptschalters 9. Die Beendigung der Aufladung erfolgt automatisch durch Ausbleiben
der der Induktionsspannung und der dem Induktionsstrom proportionalen Spannungen
an den Klemmen 3 und 5, und die während dieser Aufheizzeit zugeführte elektrische
Energie kann als integrierte Spannung an dem Instrument 21 abgelesen werden. Dieses
Meßinstrument ist also ein Spannungsmesser, der aber zweckmäßigerweise in Energieeinheiten
geeicht ist. Zur Wahl des Meßbereichs ist ihm die Widerstandsschaltung 22 mit dem
Bereichsschalter 23 vorgeschaltet.
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Nach erfolgtem Ablesen des Wertes der integrierten Spannung erfolgt
durch Betätigen der Löschtaste 24 und damit verbundenem Abfall des Relais C durch
Schließen seines Kontaktes c2 die erneute Überbrückung des Kondensators 12 des Integrators
13 durch geeignete Potentialansteuerung des elektronischen Schalters 11.
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Die Anpaßverstärker 16 und 18 dienen zur Anpassung an die individuellen
Gegebenheiten der Härteanlage. Die Verstärkung der Anpaßverstärker wird nämlich
in dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechend den Anzeigen von
Induktionsstrom und Induktionsspannung auf den zugeordneten Schalttafelinstrumenten
eingestellt.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Erfindung außer zum Ablesen
des Wertes der zugeführten elektrischen Energie auch zur automatischen Registrierung
desselben oder zur Einleitung von Steuer- oder Regelvorgängen ausgenutzt werden
kann, die dazu dienen, sich in einer Änderung des Wertes der innerhalb einer vorbestimmten
Zeitdauer zugeführten Energie äußernde Abweichungen von Verhältnissen in der Härteanlage
von den zugeordneten Sollwerten zu kompensieren.
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Das Frequenzfilter kann bei einem nur auf Gleichspannungen ansprechenden
Integrator fortfallen. Das gleiche gilt für den Phasenschieber, wenn man unmittelbar
Größen abgreift, die proportional den Wirkanteilen von Induktionsstrom und - spannung
sind. Die Integration kann auch mittels eines Zählers, also digital, erfolgen.
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Als vorteilhaft hat sich, wie in dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel
angenommen, die eingangsseitige Erfassung von Strom und Spannung erwiesen, da bei
Abgriff dieser Größen direkt am Induktor wegen der hohen Ströme Wandler erforderlich
sein können.