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Verfahren und Einrichtung zur betriehsmäßigen Über-
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wachung der Tiegelwandstärke an elektrischen Induktionsöfen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur betriebsmäßigen Überwachung
der Wandstärke des Tiegels eines elektrischen Induktionsofens im Bereich einer vorgegebenen
Zone seiner Tiegelhöhe durch Überwachung der zeitlichen Veränderung des Meßwertcs
einer elektrischen Meßgröße, die an einer aje Tiegelzone umfassenden Teilspule einer
den Ofen beheizenden Induktionsspule ermittelt und vom Widerstand der Teilspule
abhängig ist, und durch Vergleich dieses Meßwertes mit einem Vergleichswert sowie
ein Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Aus dcr DT-PS 10 57 260 ist ein Verfahren zur Überwachung cter Tiegelwandstärke
an Induktionsöfen bekannt, bei dem der Zustand der Kopplung zwischen der Ofenspule
und dem in dem Ofentiegel befindlichen Schmelzgut, die u.a. von der Wandstärke des
Tiegels abhängig ist, durch eine periodische Messung des Quotienten aus dem Spulenstrom
und der Spulen spannung. laufend i.iberwacht wird. Der Quotient, der mit dem Spulenwiderstand
variabei ist, ist u.a. vom Füllstand des Schmelzgutes im Ofen, seinem Aggregatzustand,
der Temperatur, der Art des Schmelzgutes, der Kurvenform des Spulenstroms bzw. der
Spulenspannung, dem Verlauf des Magnetfeldes im Ofensystem und ggf. auch von der
dem Ofen zugeführten elektrischen Leistung abhängig, so daß die entsprechenden Einflußgrößen
zum Zweck der Dickenmas-Sung an der Wandstärke des Ofentiegels vergleichbar gehalten
werden müssen. Unter solchen Verhältnissen wird zu Beginn der Ofenreise das Verhältnis
aus Strom und Spannung, das sich aus
dem Neuzus tand der Tiegelwandstärke
ergibt, ermittelt, und es werden danach in Ablauf der Reise die eintretenden Veränderungen
dieses Verhältnisses laufend essen.
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Das Verfahren weist den Mangel auf, daß die Kopplung zwischen der
Spule und dem Ofensystem empfindlich durch die genannten Einflußgrößen beeinflußt
wird, wodurch die genaue Einhaltung dieser Größen zum Zweck der Herbeiführung einer
Vergleichbarkeit aller Messungen erforderlich ist.
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Zur Minderung dieser Abhängigkeiten wird deshalb der vorliegenden
Erfindung entsprechend ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das
sich dadurch kennzeichnet, daß der Meßwert der an der Teilspule überwachten Überwachungsmaß
größe mit dem Meßwert der physikalisch gleichen tIeßgrõße, der jedoch an der die
Teilspule als Teil enthaltenden Heizspule als Vergleichswert ermittelt wird, hinsichtlich
des zeitlichen Gleichlaufs beider Meßwerte überwacht wird.
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Als widerstandsabhängige Meßgrößen kommen bei dem Verfahren nach der
Erfindung die Leistung, die Spulenspannung und der Widerstand dar Spule bzw, der
Teilspule in Betracht. Es können auch die zugehörigen reziproken Meßwerte gemessen
und miteinander verglichen werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird
zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Wandstärken-Indikation die Überwachung der
Wirkkomponenten der Leistung, der Spannung bzw. des Widerstandes der Teilspule und
der Gesamtspule vorgeschlagen.
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Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich durch gleichzeitige Überwachung
der Meßwerte der Überwachungs- und der Vergleichsmeßgröße aber auch durch zeitlich
nacheinander erfolgende Ermittlung der Meßwerte beider Meßgrößen durchführen. Dabei
können die Meßwerte der Überwachungs- und der Vergleichsmeßgröße, d.. also entweder
die Meßwerte der Leistung, der Spannung oder des Widerstandes, visuell angezeigt,
mittels eines Schreibers oder dgl. registriert oder aber hinsichtlich des
Überschreibens
vorgebbarer Grenzen in der Gleichlaufabweichung injiziert werden.
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Einrichtungen, die zur Durchführung des Verfahre:as nacii der Erfindung
dienen, kennzeichnen sich durch Meßmittel zur Erfassung der Meßwerte der Überwachungs-
und der Vergleichsmeßergröße sowie durch eine Vorrichtung zum Vergleich des zeitlichen
Gleichlaufs der Meßwerte beider Meßgrößen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand einer Zeichnung,
die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
wiedergibt, näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine entsprechende Einrichtung, die zur Überwachung der
Wandstärke eines Induktionstiegelofens entlang der Länge seiner gesamten Tiegelachse
dient.
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Jig. 2 zeigt eine Abänderung der Einrichtung nach Pig. 1 In Fig. 1
bezeichnen 1 den Tiegel eines Netzfrequenz-Ofens, dessen Inhalt durch die Induktionsspule
2, die den Tiegel von außen entlang seiner Längsachse 3 umfaßt, beheizt wird, und
4 eine die Spule 2 speisenden Wechselstromgenerator einstellbarer Lc is tung.
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Die Wandstärke des Tiegels 1 ist im Bereich seiner Höhenzone h hinsichtlich
erosiver Auswaschungen derart zu überwachen, daß bnim Absinken der Tiegelwandstärke
unter eine vorgebbare Mindestwandstärke, die einen Wanddurchbruch des Tiegels mit
Sicherheit gerade noch verhindert, die gesamte Anlage stillgesetzt und der Tiegel
repariert werden kann.
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Hierzu ist die Induktionsspule 2 mit Anzapfungen 5 und 6 versehen,
die zwischen sich eine Teilspule einschließen, die den Bereich h i£1it einer oder
mehreren Spulenwindungen umfaßt. Der Spannungsabfall an der Teilspule 5,6 ist über
die Meßleitungen 7 und 8 dem Eingang einer elektronischen Analog-Rechenvorrichtung
9 zugeführt. Die Analog-Rechenvorrichtung 9 ist als Vier-Quadranten-Multiplizierer
ausgebildet, der zur 13i3.dun*,
einer elektrischen Wechselspannung
dient, die der an der Teilspule 5,6 meßbaren Leistung proportional ist. Zur Ermittlung
des der Teilspule 5,6 durchfließenden Stroms I wird die Strom starke des Stroms
durch die Speiseleitung 10, der dem Gene tor 4 entnommen ist, mittels einer die
Leitung 10 umfassenden Induktionsspule 11 mit nachgeschaltetem magnetischem Spannungsmesser
12 und einem dessen Ausgangsspannung integrierenden elektronischen Integrator 13
in eine elektrische Wechselspannung abgebildet, deran Momentanwert und Phasenwinkel
den entsprechenden Größen des Stroms der Leitung 10 proportional ist.
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Die Wechselspannung wird über die Leitung 14,15 einem zweiten Eingang
der elektronischen Analog-Rachenvorrichtung 9 zugeführt, die - ihrer Ausbildung
entsprechend - phasenrichtig das Produkt der beiden Eingangsspannungen bildet. Die
resultierende Wechselspannung, die einen der Wirkleistung an der Spule 5, 6 in bekannter
Weise proportionalen Gleichstromanteil aufweist, ist der Ausgangsleitung 16 zugeführt
Als Vergleichsgröße für die Meßspannung der Leitung 16 dient die an der induktionsspule
2 meßbare Leistung. Zur Bildung einer entsprechenden Wechselspannung ist die Ausgangsspannung
der Meßvorrichtung 11,12,13 über die Leitung 14,15 dem einen Eingang einen zweiten
elektronischen Analog-nvechenvorrichtung 17 zugeführt, die ebenfalls als Vier-Quadranten-Multiplizierer
ausgebildet ist, und cs dient dieser Vorrichtung als zweite Steuerspannung eine
Wechselspannung, die über die Leitungen 18 und 19 an den Enden der Induktionsspule
2 abgegriffen und damit dem Spannungsabfall an dieser Spule proportional ist. Die
Analog-Rechenvorrichtung 17 bildet ebenso die die Vorrichtung 9 aus den beiden Steuerspannungen
eine elektrische Wechselspannung, die der an der Spule 2 meßbaren Leistung entspricht.
Sie enthält ebenfalls einen Gleichstromanteil, so daß der zeitliche Mittelwert der
Ausgangsspannung der Vorrichtung 17, die der Leitung 20 zugeführt ist, der an der
Spule 2 meßbaren Wirkleistung proportional ist.
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Die Spannungen der Leitungen 16 und 20 sind einer Vergleichsvorrichtung
21, die zum Vergleich des zeitlichen Gleichlaufs der Meßwerte sowohl der Meßgröße
als auch der Vergleichsgröße
dient, zugeführt. Beide Spannungen
sind über zugehörige Potentiometer 22 und 24 jeweils mit einstellbarer bzw. normierbarer
Amplitude den beiden Eingängen eines elektronischen Differenz-Gleichstromverstärkers
23 zugeführt, der eine der Differenz beiden Eingangsspannungen proportionale Spannung
auf seine Ausgangsleitung 25 überträgt. In die Ausgangsleitung 25 ist ein integrierendes
elektromechanisches Überwachungsinstrument 26 eingeschaltet, das den zeitlichen
Mittelwert des die Leitung 25 durchfließenden Stroms anzeigt. Das Meßinstrument
26 zeigt deshalb eine Differenz aus einem der Wirkleistung an der Teilspule 5,6
proportionalen und aus einem der Wirkleistung an der Gesamtspule 2 proportionalen
Meßwert an. Durch passende Wahl der Widerstände 22 bzw. 24 läßt sich die Anzeige
des Meßinstruments 26 z.B. auf den Wert null einstellen, wodurch sich Abweichungen
des Gleichlaufs der Meßwerte beider Meßgrößen zu erkennen geben. Lokale Einflüsse
an der Teilspule 5,6, die aus der Veränderung der Wandstärke des. Tiegels 1 resultieren,
verändern dabei die Wirkleistung an der Teilspule 5,6 in höherem Maße als den entsprechenden
Vergleichswert, der an der Gesamtspule 2 meßbar ist.
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Im übrigen ist die Anordnung nach Fig. 1 noch derart getroffen, daß
neben der Tiegeizone h noch Nachbarzonen der Tiegelwandung in entsprechender Weise
zu überwachen sind. Die Induktions-Spule 2 weist hierzu entsprechende Anzapfungen
auf, die jeweils Teilspulen der Gesamtspule 2 einschließen. Die Teilspulen sind
den entsprechenden Zonen der Tiegelwandstärke zugeordnet und umfassen den Tiegel
in der zugehörigen Zone. Die Spannungsabfälle an diesen Teilspulen sind - wie in
der Zeichnung dargestellt - den Eingängen zugeordneter Vier-Quadranten-Multiplizicrcr
34,35,36 und 37 zugeordnet, deren zweite Eingänge je weils tnit der Spannung der
Leitung 14,15 gespeist sind. Mit 30,31,32 und 33 sind der Vorrichtung 21 entsprechende
Uberwachungsvorrichtungen bezeichnet, deren Eingänge jeweils mit den Ausgangsspannungen
der Vier-Quadranten-Multiplizierer und der der Stromstärke I proportionalen Wechselspannung
der Leitung 20 gespeist sind, Im übrigen sind die Vergleichsvorrichtungen liinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der Vergleichsvorrichtung 21 identisch.
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Die die Gesamtleistung der Spule 2 abbildende Ananlog-Rechenvorrichtung
20 kann im übrigen durch eine Summationsvorrichtung ersetzt werden, die die phasenrichtig
gebildete Summe der Ausgangsspannungen der Analog-Rechenvorrichtungen 34,35,9,36
und 37 zur Ermittlung der Gesamtleistung bildet. Die Ausgangsspannung dieser Summationsvorrichtung
ist wiederum der Leitung 20 zuzuführen.
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Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausbildung der
Vergleichsvorrichtung 21 nach Fig. 1. Die die zu vergleichenden Wechselspannungen
der Leitungen 16 und 20 speisen - über einstellbare Potentiometer 41 und 42 - die
Eingänge einer Summationsvorrichtung 43, die die Differenz beider Spannungen bildet.
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Die resultierende Differenzspannung ist dem- Eingang eines Gleichstromverstärkers
44, der über ein Gegenkopplungs-Netzwerk 45 gegengekoppelt ist,*) zugeführt. Der
Gleichstromverstärker 44 weist Schaltcharakteristik auf, d.h. seine Ausgangsspannung
ist gleich null solange die mittels der Vorrichtung 43 gebildete.
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Differenz der Steuerspannungen der Leitungen 16 und 20 gleich null
Ist bzw. eine vorgebbare Differenzschwelle nicht überschreitet, Weicht Die Differenz
von null ab bzw. überschreitet die Differenz die vorgebbare Schwelle, so schaltet
der Verstärker 44 auf seine Ausgangsleitung eine Gleichspannung, die mittels einer
Indikationsvorrichtung 46, z.B. in Form einer Leuchtdiode, optisch angezeigt wird.
Die Vorrichtung 46 kann auch durch eine Alarmanlage, eine die Speisung der Spule
2 unterbrechende Schaltanlage od. dgl. ersetzt werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird das Verhältnis der Spannungen
auf den Leitungen 1,6 und 20 hinsichtlich seiner Nonstanz bzw. hinsichtlich des
Überschreitens vorgebbarer Abweichungsgrenzen überwacht. Solange die Ausgangsspannung
der Vorrichtung 43 gleich null ist, ist das Verhältnis der beiden Meßgrößen konstant.
Weicht das Verhältnis von einem durch die Einstellung der Widerstände 41 und 42
vorgegebenen Wert ab, so wird die Vorrichtung 116 betätigt und die Veränderung der
zugehörigen Tiegelwandstärke indiziert.
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Die Vergleichsmessungen werden im übrigen unter vergleichbaren *)
und infolge der Gegenkopplung ein integrierendes Übertragungsverhalten aufweist
Bedingungen,
d.h. be.il.gleicher Füllständshöhe des Schmelzguts im Ofen, vorgenommen.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Vier-Quadranten-Multiplizierer
des Ausführungsbeispiels durch Vier-Quadranten-Dividierer zur Bildung von dem Widerstand
proportionalen Meßgrößen zu ersetzen. Ferner kann die Widerstands-bzw. Leistungsmessung
durch eine reine Spannungsmessung ersetzt werden, wobei sich ebenfalls die Wirkspannungsmessung
als zweckmäßig erwiesen hat.
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1 Zeichnung 9 Ansprüche
L e e r s e i t e