DE3205460A1 - Beruehrungslose, rueckwirkungsfreie temperaturmessung mit permanentmagnet, eichkurve und hallgenerator - Google Patents

Description

• Berührungslose, rückwirkungsfreie Temperaturmessung
• mit Permanentmagnet, Eichkurve und Hallgenerator Die Erfindung betrifft ein Demperaturmeßsystem, das eine drahtlose (berührungslose), rückwirkungsfreie Temperaturbestimmung ermöglicht.
• Sollen Temperaturen in/an/auf rotierenden oder oszillierenden Bauteilen gemessen werden (z.B. Kolbenboden im Verbrennungsmotor), so kommen Umschlagfarben, Schmelz -kegel, Strahlungspyrometer und Kleinstsender zur Anwendung, falls ein elektrischer Anschluß infolge translatorischer oder rotatorischer Bewegung nicht möglich ist.
• Umschlagfarben und Schmelzkegel erlauben nur eine ungenaue Temperaturbestimmung. Strahlungspyrometer erfordern ein "Beobachtungsfenster" und Kleinstsender werden bei ca. 200"C zerstört.
• Ist ein elektrischer Anschluß möglich (z.B. über Schleifkontakte), so kommen Widerstandsthermometer und Thermo -elemente zur Anwendung. Infolge der geringen Spannungen sind beide anfällig gegenüber Ölfilmen auf den Schleif -kontakten. Die Schleifgeschwindigkeit begrenzt den Ein -satz. Zudem geben nur die drei letztgenannten ein analoges Signal ab. Es wird auch versucht durch eine Reihe von Permanentmagneten, die unterschiedliche Curietemperaturen besitzen, und z.B. auf einer Welle angeordnet sind, über Impulszählung eine gestufte Temperaturanzeige zu erhalten.
• Dabei ist beispielsweise die Curietemperaturabstufung in 1G"C - Schritten. Wird die erste Qurietemperatur überschritten, so erhält man an einem Aufnehmer einen Impuls weniger, als Magnete vorhanden sind, und so fort.
• Die Anzahl der Magnete und der Meßbereich bestimmen die Temp eraturstufung. Platzbedarf Aufwand und Ungenauig -keit begrenzen dieses Verfahren (Patentauslegeschrift).
• Bei einem anderen magnetischen Verfahren ändert sich die temperaturabhängige Permeabilität eines Spulenkernes.
• Die resultierende Induktivitätsänderung verstimmt einen Schwingkreis, wodurch kleinste Temperaturschwankungen bemerkbar werden (siehe C. Heck, Magnetische Werkstoffe und ihre technische Anwendung, 2. Auflage, 1975, Temperaturkompensationswerkstoffe). Der Meßbereich ist schmal.
• Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde: 1. Berührungslos zu messen, also einen Meßaufnehmer zu konstruieren, der einen gewissen Sendereffekt besitzt, um auf Schleifringe zu verzichten.
• 2. Die Meßeinrichtung soll analog oder digital an -zeigen.
• 3. Der Temperaturbereich soll sich mindestens über 500 C erstrecken.
• 4. Der Apparateaufwand soll sich in Grenzen halten.
• 5. Mit dem Meßsystem sollen ev. ganze Temperatur -felder abgetastet werden können.
• 6. Die zur Messung benötigte Energie soll dem Meß -gerät entnommen werden (rückwirkungsfrei sein).
• Die Aufgaben werden erfindungsmaßig dadurch gelöst, daß als Neßaufnehmer ein Permanentmagnet (z.B. Stabform, aber auch Folie) verwendet wird, und als MeBgrößenwandler ein Hallgenerator. Die gemessene Größe (scheinbare Remanenz B') führt unter Verwendung einer Eichkurve, die in gra -phischer oder programmierter Form vorliegt, zu der zu -gehörigen Temperatur. Die Eichkurve ist der zentrale Punkt der Meßanordnung. Als Sender kann der Permanent -magnet betrachtet werden, dessen magnetisches Feld den Raum ungehindert durchsetzt.
• Folgender Effekt wird ausgenützt: Es ist bekannt, daß Magnete mit steigender Temperatur (t) an Remanenz verlieren (vgl. E. Kneller, Ferromagnetismus, 1962, 509 und C. Heck, Magnetische Werkstoffe und ihre technische Anwendung, 2. Auflage, 1975, Kapitel 2.3).
• Trägt man die äußerlich meßbare (scheinbare) Remanenz Br über t auf, so erhält man ein für den Magneten charakteristisches Br - t - Diagramm, die Eichkurve.
• Die Form dieses Diagramms kann äe nach Geometrie und Werkstoff des Magneten in weiten Grenzen variiert werden (Anpassung an Meßbereich, Genauigkeit und Temperatur -niveau). Das beschriebene Diagramm kann in gewissen Grenzen reversibel durchlaufen werden, d.h. der Magnet er -langt nach Abkühlung auf die ursprüngliche Temperatur wieder seine alte Remanenz.
• Ein solches Br - t - Diagramm soll auf folgende Weise ermittelt und zur Temperaturmessung herangezogen (als Eichkurve benutzt) werden.
• Der Magnet werde stetig steigernd erhitzt. Seine Remanenz wird mit einem Hallgenerator (der sich in konstantem Ab -stand befinden muß) gemessen, seine Temperatur beispielsweise mit einem Thermoelement. Man erhält zu jedem Tem -peraturwert einen zugehörigen Remanenzwert. Das so ge -wonnene Br - t - Diagramm ist charakteristisch für den Meßaufnehmer in definiertem Abstand vom Hallgenerator.
• Für andere Abstände kann es aus dem ersten Diagramm rechnerisc ermittelt werden.
• Wird der Aufnehmer nun in ein Medium unbekannter Tempe -ratur gebracht und mißt man mit dem Hallgenerator (im selben Abstand wie bei der Ermittlung der Eichkurve) seine Remanenz bei dieser unbekannten Temperatur, so kann man, geht man mit dem gemessenen Remanenzwert in die Eichkurve ein, die Temperatur des Aufnehmers ermitteln.
• Ein solches graphisches Verfahren benötigt lediglich einen billigen Hallgenerator, ein Voltmeter, Eichkurve und zugehörigen Aufnehmer.
• Soll wie gefordert direkt angezeigt werden, so muß die Eichkurve programmiert werden. Ein Vorsatzgerät an einen handelsüblichen Klein/Taschen - rechner liest in bestimmten Zeitintervallen die gemessenen Br - Werte in den Rechner ein, und dieser ermittelt mit der programmierten Eichkurve die zugehörige Temperatur in gleichen Zeitin -tervallen. Man erhält ein digitales Anzeigegerät.
• Vorteile: Bei Verwendung einer magnetischen Folie, für die ebenfalls eine Eichkurve vorliegen muß, kann durch Verschieben des Hallgenerators (im gleichen Abstand zur Folie) das ganze Temperaturfeld der Folie abgetastet werden.
• Soll an schnell oszillierenden oder rotierenden Bauteilen gemessen werden, so liefert der Hallgenerator eine sinus -förmige Spannung. Ihr Maximalwert muß durch einen Spitzenwertanzeiger festgehalten und in der selben Weise wie bei der statischen Messung dem Rechner zugeführt werden, wo -durch wieder eine digitale Anzeige möglich ist.
• Durch die enormen Fortschritte auf dem Gebiet der Elek -tronik kann eine solche Meßeinrichtung sehr klein und kompakt gebaut werden (Mikroprozessor).
• Der Meßwertaufnehmer (Magnet) und Meßwertwandler ( Hall-3 generator) können bis herunter zu einigen mm Rauminhalt dimensioniert werden, sodaß sich hinsichtlich des Platzbedarfes für den Aufnehmer und den Wandler kaum Probleme ergeben dürften.
• In all den Fällen, in denen Schmelzkegel, Umschlagfarben und Strahlungspyrometer zu ungenau sind und Verdrahtun -gen nicht in Frage kommen (z.B. durch zu hohe Schleif -geschwindigkeit der Kontakte) ist diese Methode mit großem Vorteil einzusetzen.
• Sie ist vorzüglich für Überwachungs -, Regelungs -, und Steuerungsaufgaben geeignet, an all den Bauteilen, die infolge Translation oder Rotation einer Messung nur schwer zugänglich sind.
• Ausführungsbeispiel Als Aufnehmer wird ein Bariumferritmagnet (Koerox 300) verwendet. Sein Betriebspunkt muß oberhalb des (B.H)>,£-Punktes liegen. Ist der Aufnehmer ein zylinderförmiger Magnet, so muß das Achsverhältnis m (Länge/Durchmesser) größer oder gleich 3 sein. Es ergibt sich ein reversibler Meßbereich von - 200 dz bis + 300 ob. Wird ein Hall -generator der Fa. Siemens vom Typ KSY 10 verwendet, so beträgt äe nach verwendetem Voltmeter der maximale relative Fehler nahezu 0,2 %

Claims (1)

1. Berührungslose, rückwirkungsfreie 'emperaturmessung mit Permanentmagnet, Eichkurve und Hallgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der MeßwertauSnehmer perma -nentmagnetisch ist, seine Remanenz stetig reversibel in Abhängigkeit von der Temperatur ändert und mit einem Hallgenerator als Meßwertwandler sowie einer (graphischen oder programmierten) Eichkurve eine berührungslose, rückwirkungsfreie Temperaturbestimmung ermöglicht.