DE2322720A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung einer induktions-haerteanlage - Google Patents

Schaltungsanordnung zur ueberwachung einer induktions-haerteanlage

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DE2322720A1
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voltage
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induction
induction current
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Dietrich Dipl Phys Kinne
Wilhelm Rump
Hansdieter Zeidelhack
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • G01R21/00Arrangements for measuring electric power or power factor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34Methods of heating
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    • GPHYSICS
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Auswerteeinheit ein Meßinstrument enthält, das abgelesen werden muß.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Figur.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An den Ausgang des Multiplizierers 17 ist der Abgleichwiderstand 19 angeschlossen, an den sich ein als wesentlichen Bestandteil den Kondensator 20 enthaltender Frequenzfilter anschließt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

ANSPRÜCHE
1. Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Induktions-Härteanlage, dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktionsstrom und der Induktionsspannung proportionale Spannungen den Eingängen eines Multiplizierers (17) aufgeschaltet sind, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators (13) verbunden ist, dem Mittel (c2) zum Einleiten des Integrationsvorganges synchron mit dem Aufheizvorgang zugeordnet sind und der ausgangsseitig mit einer Auswerteeinheit (21) in Verbindung steht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein Meßinstrument (21) für den Wert der integrierten Spannung enthält.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (13) Mittel zur Entladung zugeordnet sind, die automatisch eine vorbestimmte Zeit nach Beendigung des Aufheizvorgangs ansprechen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (13) ein von Hand betätigbarer Löschkontakt (24) zugeordnet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102014001935A1 (de) 2014-02-12 2015-08-13 Emag Holding Gmbh Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum induktiven Erwärmen
DE102016010888A1 (de) 2016-09-12 2018-03-15 EMAG GmbH & Co. KG Verfahren zum Überwachen des Härteprozesses in einer Induktionshärtemaschine

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EP2908602A1 (de) 2014-02-12 2015-08-19 EMAG Holding GmbH Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum induktiven Erwärmen
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WO2018047017A1 (de) 2016-09-12 2018-03-15 EMAG GmbH & Co. KG Verfahren zum überwachen des härteprozesses in einer induktionshärtemaschine

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