DE3416340A1

DE3416340A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessung von rotierenden koerpern

Info

Publication number: DE3416340A1
Application number: DE19843416340
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Bitzer (FH), 7252 Weil; Alf Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. 7145 Markgröningen Löffler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-05-03
Filing date: 1984-05-03
Publication date: 1985-11-07

Description

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26.3.1984

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zur berührurtqslosen Temperaturmessung von rotierenden Körpern

Stand der Technik

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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur · berührungslosen Temperaturmessung von rotierenden '" . Körpern, wie Wellen, Zylinder, Bohrer od.dgl., der - . im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung, . .

Unter Wirbelstromeffekt wird das Phänomen verstanden, _; ' daß das von der wechseistromdurchflossenen Spule erzeugte magnetische Wechselfeld in die Oberfläche eines leitfähigen Werkstoffes eindringt und dort die Entstehung von Wirbelströmen verursacht. Diese Wirbelströme stellen für die Spule einen zusätzlichen temperaturabhän- ■ gigen Widerstand dar, so daß aufgrund der sich verändernden elektrischen Eigenschaften der Spule auf die Temperatur des Werkstoffs geschlossen werden kann.

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Bei einem bekannten, auf dem Wirbelstromprinzip basierenden Verfahren zur berührungslosen Messung der Leitfähigkeit und/oder Temperatur von Metallen ist die Spule auf die Metalloberfläche mit dazu rechtwinklig ausgerichteter Spulenachse aufgesetzt. Mit Hilfe besonderer Meßspulen wird der Phasenwinkel zwischen dem Signal in der Spule und dem Signal in den Meßspulen bestimmt und als Meßgröße für die Temperatur ausgewertet.

Ein solches Verfahren ist für rotierende Körper nicht geeignet und bedingt außerdem einen recht hohen schaltungstechnischen Aufwand für die entsprechende Meßvorrichtung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, die Temperatur an rotierenden Körpern berührungslos messen zu können. Die berührungslos aufgenommenen Meßsignale sind ausreichend groß, um eine genaue Temperaturangabe mit geringstmöglichem schaltungstechnischen Aufwand auf der Signalverarbeitungsseite zu ermöglichen. Dabei ist es nicht erforderlich, daß der rotierende Körper selbst aus leitfähigem Material besteht, da für die Temperatursensxerung eine separate Meßzone aus leitfähigem Material vorgesehen ist, die nur in wärmeleitender Verbindung mit dem Körper stehen muß.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist vor allem in " automatischen Fertigungsstraßen zur Überwachung des Verschleisses von rotierenden Werkzeugen, wie Bohrern,

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mit erheblichem Vorteil einsetzbar, wo bis heute das Problem des rechtzeitigen Erkennens schlechter oder unbrauchbarer Werkzeuge erhebliche Schwierigkeiten bereitet, so daß aus Gründen der Qualitätssicherung in der Fertigung die Werkzeuge vorzeitig nach einer Mindestbetriebsdauer ohne Rücksicht auf ihren tatsächlichen Zustand ausgetauscht werden.

Mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung werden unbrauchbare Werkzeuge, wie stumpfe Bohrer, durch Anstieg der Werkzeugtemperatur über die normale Arbeitstemperatur hinaus sofort erkannt. Zu diesem Zweck ist gemäß der . Ausführungsform der Erfindung in Anspruch 8 die Meßzone auf dem Werkzeug selbst angeordnet und ein Referenzelement mit dem Werkzeug drehfest und wärmeleitend verbunden. Während des Arbeitsprozesses wird damit das Referenzelement die gleiche Temperatur aufweisen wie das Werkzeug selbst. Wird das Werkzeug jedoch stumpf, so wird die Temperatur zunächst im Arbeitsbereich des Werkzeuges und damit in der Meßzone schnell ansteigen, während sich dieser Temperaturanstieg in dem Referenzelement erst langfristig auswirkt. Es entsteht damit eine Temperaturdifferenz zwischen der Meßzone und dem Referenzelement, übersteigt diese Temperaturdifferenz eine eventuell vorgesehene Schwelle, so wird eine Warneinrichtung eingeschaltet, die ein Signal zum Auswechseln des unbrauchbaren Werkzeugs gibt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung möglich.

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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch das Einbeziehen der Spule in einen Schwingkreis ergibt sich ein gutes Nutz-/Störverhältnis der Meßsignale.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 3. Durch das identisch aufgebaute Referenzelement, das auf konstante Temperatur zu halten ist, entspricht das von der Vorrichtung ausgegebene Meßergebnis der Temperaturdifferenz zwischen Meßzone und Referenzelement.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Meßvorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung eines rotierenden Körpers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Meßvorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung eines rotierenden Körpers 10, der hier von einem Bohrer gebildet ist, weist eine Spule 11 auf, die einen rotationssymmetrischen Teil 12, der hier von dem Schaft des Bohrers gebildet wird, konzentrisch umgibt. Im Bereich der Spule 11 trägt der rotationssymmetrische Teil 12 eine Meßzone 13 aus leitfähigem, möglichst hochpermeablem Material, hier einenden Bohrerschaft umhüllenden Nickelmantel.

Die Spule 11 ist in einer Meßbrücke 14 angeordnet, die von einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle 15 gespeist wird. Die Meßbrücke 14 weist zwei Widerstände 16,

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in der oberen Halbbrücke und die Spule 11 und ein Referenzelement' 18 in der unteren Halbbrücke auf. Im Brücken- oder Diagonalzweig 19 der Meßbrücke 14 ist ein Differenzverstärker 20 angeordnet. Jedem Eingang des Differenzverstärkers 20 ist ein Gleichrichter vorgeschaltet, der hier als Diode 21 bzw. 22 ausgebildet ist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 20 ist eine Anzeigevorrichtung 23 angeschlossen. Der Spule 11 ist ein Kondensator 24 parallel geschaltet, der mit der Spule 11 einen Schwingkreis 25 bildet.

Das Referenzelement 18 ist so ausgebildet, daß es bei gleicher Temperatur die gleiche elektrische Leitfähigkeit aufweist wie die wechselstromdurchflossene Spule Das Referenzelement 18 weist hierzu eine zur Spule 11 identisch ausgebildete Referenzspule 26 auf, die mit einem Parallelkondensator 27 einen Schwingkreis 28 bildet. Der Schwingkreis 28 ist identisch mit dem Schwingkreis 25 ausgebildet. Die Referenzspule 26 umgibt konzentrisch eine Referenzzone 29, welche aus gleichem Material besteht und gleiche Abmessungen aufweist wie die Meßzone 13. Die Referenzzone 29 ist auf einem Träger 30 angeordnet, der dem rotationssymmetri-r sehen Teil 12 des Körpers 10 nachgebildet ist und mit diesem synchron umläuft. Wie in der Zeichnung angedeutet ist, ist der Einfachheit halber der Träger 30 drehfest an dem Körper 10 befestigt oder einstückig mit dem rotationssymmetrischen Teil 12 ausgebildet. '

Das in der Erregerspule 11 und in der Referenzspule 2 6 ' jeweils erzeugte magnetische Wechselfeld dringt jeweils in die metallischen Meßzonen 13 bzw. 29 ein und gibt zur induktiven Entstehung von Wirbelströmen Anlaß. Diese Wirbelströme stellen für die Spule 11 und die Referenz-

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spule 26 einen zusätzlichen Widerstand dar, der abhängig von der Temperatur in der Meßzone 13 bzw. Referenzzone 29 ist. Bei gleicher Temperatur in der Meßzone 13 und in der Referenzzone 29 ist die Meßbrücke 14 abgeglichen. Die am Eingang des Differenzverstärkers 20 liegende Spannung ist Null. Erwärmt sich der rotierende Körper 10, so nimmt die Temperatur in der Meßzone 13 zu. Bei konstanter Temperatur in der Referenzzone 29 verändert sich die Impedanz der Spüle 11 und des Schwingkreises 25. Die Brücke kommt außer Gleichgewicht und im Brücken- oder Diagonalzweig entsteht eine Potentialdifferenz, die als eine Gleichspannungsdifferenz an den Eingängen des Differenzverstärkers 20 liegt. Der Differenzverstärker gibt ein der Differenzspannung am Ausgang proportionales Ausgangssignal an die Anzeigevorrichtung 23, die das Ausgangssignal in eine sichtbare Temperaturanzeige umsetzt. Die Temperaturanzeige * entspricht der Temperaturdifferenz zwischen Meßzone 13 und Referenzzone 29 und kann bei konstant gehaltener Temperatur der Meßzone 29 und entsprechender Eichung auch als absolute Temperaturanzeige verwendet werden.

Die beschriebene Meßvorrichtung eignet sich besonders zur Überwachung des Verschleisses von rotierenden Werkzeugen, z.B. in Fertigungsstraßen. Stumpfe Werkzeuge nehmen bekannterweise sehr schnell eine gegenüber der normalen Betriebstemperatur wesentlich erhöhte Temperatur an. Wird dieser Temperaturanstieg mit .Hilfe der beschriebenen Meßvorrichtung sensiert, so kann die Unbrauchbarkeit des Werkzeugs augenblicklich erkannt werden. Die Meßzone 13 ist hierzu auf dem Werkzeug selbst und vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Werkzeugarbeitsbereiches anzuordnen. Die Referenzzone 29 ist zweckmäßigerweise ebenfalls auf dem Werkzeug jedoch

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im größeren Abstand von der Meßzone 13 anzuordnen. .Ein Konstanthalten der Temperatur in der Meßzone ist dann • nicht erforderlich, wenn nur ein Temperaturanstieg detektiert werden soll. Während des normalen Arbeitsprozesses ist die Temperatur des Werkzeugs in etwa konstant und somit auch die Temperatur in der Meßzone 13 und in der Referenzzone 29. Wird das Werkzeug jedoch stumpf, so steigt die Temperatur in der Meßzone 13, die nahe dem Arbeitsbereich des Werkzeugs liegt, sehr viel schneller an als in der Referenzzone 29. Die sich kurzfristig einstellende Temperaturdifferenz genügt; um die Anzeigevorrichtung 23, die zweckmäßiger- - weise als Warnvorrichtung ausgebildet ist, einzuschalten .""'■'"

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Claims

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26.3.1984

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

• Ansprüche ■ . *.·._~\'· ^;^

/^ Iy Vorrichtung zur berührungslosen,.Temperaturmessung von rotierenden Körpern, wie Wellen, < Zylinder, Bohrer od.dgl., bei welcher ein von * •5 einer wechselstromdurchflossenen Spule in leit-

■ fähigen Materialien hervorgerufener Wirbelstromeffekt ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) eine

an einem rotationssymmetrischen Teil (12) des . Körpers (10) aufgebrachte Meßzone (13) aus leitfähigem Material geeigneter Permeabilität, z.B. -".·. ' Nickel, konzentrisch umgibt und in einer Meßbrücke

(14) angeordnet ist, die von einer vorzugsweise hoch-.frequenten Wechselspannung (15) gespeist ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-

■ kennze i chnet, daß parallel zur Spüle (11) ein Kondensator (14) angeordnet ist, der mit der Spule (11) einen Schwingkreis (25) bildet.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßbrücke (14) ein Referenzelement (18) angeordnet ist, das bei gleicher Temperatur die gleiche elektrische Leitfähigkeit aufweist wie die wechselstromdurchflossene Spule (11).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge-kennzei chnet, daß das Referenzelement (18) eine zur Spule (11) identische Referenzspule

(26) aufweist, die eine Referenzzone (29) mit gleichen Abmessungen aus gleichem Material im gleichen Abstand wie die am Körper (10) angeordnete Meßzone (13) konzentrisch umgibt, und daß die Referenzzone (29) auf einem mit dem Körper (10) synchron drehenden, dem rotationssymmetrischen Teil (12) des Körpers (10) nachgebildeten Träger (30) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch . "gekennzeichnet/ daß die Referenzspule

(26) mit einem Parallelkondensator (27) einen dem

"ersten Schwingkreis (25) identischen zweiten Schwing-■ kreis (28) bildet. ;. ... ·._··,..' _; "'
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß im .

Brücken- oder Diagonalzweig (19)' der Meßbrücke (14.) ein Differenzverstärker (20) angeordnet ist, dessen Eingängen jeweils ein Gleichrichter (21,29) vorge- · schaltet ist, und daß der Ausgang des Differenzverstärkers (20) mit einer Anzeigevorrichtung (23) verbunden ist. · ·

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement (18) auf konstanter Temperatur gehalten ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Verschleißüberwachung von Werkzeugen, wie Bohrer, vorzugsweise in automatischen Fertigungsstraßen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzone (13) auf dem Werkzeug selbst in unmittelbarer Nähe des Werkzeugarbeitsbereichs angeordnet ist, daß der die Referenzzone (29) aufweisende rotierende . Träger (30) an dem dem Arbeitsbereich abgekehrten Ende des Werkzeugs drehfest mit diesem, vorzugsweise einstückig, verbunden ist und daß am Differenzverstärker (20) eine Warnvorrichtung angeschlossen ist.

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