DE4018213A1 - Verfahren und geraet zur beruehrungslosen temperaturmessung an metallischen und nichtmetallischen halbzeugen - Google Patents

Description

Bei der bildsamen Formgebung von metallischen, nichtmetallischen oder Verbundwerkstoffen, wie diese beispielsweise durch Strang- oder Gesenkpressen sowie Walzen erreicht wird, ist ein wesentlicher Parameter für die Qualität und/oder Quantität hinsichtlich Gefüge und Form von solcherart erzeugten Halbzeugen die zeitabhängige Führung der Umformtemperatur. Zur Optimierung bzw. Kontrolle von Umformprozessen muß die Umformungstemperatur am Halbzeug möglichst auch während der Verformung erfaßt werden.

Genau dazu gibt es noch heute nach dem Stand der Technik nur recht unzureichende Geräte, die teils dazu noch sehr aufwendig sind und einer großen Zahl von Störungsparametern unterliegen.

Das wird folgend an einem Beispiel aufgezeigt, wobei es sich um die Umformung von Aluminiumlegierungen handelt. Für den Bereich zwischen etwa 300 und 500°C benutzt man bis heute, ohne hinreichend gesicherte Möglichkeiten zur reproduzierbaren Erfassung von objektiver Halbzeugtemperatur zu haben, mehr versuchsweise an Strangpressen und Walzwerken für die Gewinnung von Halbzeugen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zur Erfassung der Umformtemperaturen physikalisch unterschiedliche Infrarotpyrometer in den Ausführungen nach den Gesamtstrahlungs-, Teilstrahlungs- oder Verhältnisstrahlungsprinzipien.

Selbst das aufwendige Verhältnis-(Quotienten-)Pyrometer bringt nach über zwanzigjähriger Entwicklung für die Applikationen an Aluminiumhalbzeugen keine befriedigende Lösung.

Das liegt an folgenden Eigenschaften:

• 1. Abhängigkeit der IR-Sensoren von den Emissionseigenschaften der Aluminiumstrahler. Diese Eigenschaften sind legierungsabhängig, wobei zusätzlich die Emissionskoeffizienten temperaturabhängig reagieren. Durch diese Kombination der Strahlungseigenschaften ist wahrscheinlich das pyrometrische Arbeiten an Aluminiumhalbzeugen, wenn mit einer Anlage universell gemessen werden soll, im Hinblick auf die industriell geforderte Genauigkeit zur Korrelation auf objektive Halbzeugtemperaturen im Bereich von ca. ±2 Grad C generell zum Scheitern verurteilt.
  Abhilfe kann man schaffen, indem bei jedem einzelnen Umformprozeß das Pyrometer mit diskontinuierlich arbeitenden und ebenso einfachen, wie physikalisch direkt verständlichen und im übrigen störungsempfindlichen Meßeinrichtungen zwischengeeicht wird (z. B. berührende Thermoelemente). Allerdings wird dadurch der Aufwand groß und die Meßapparatur unhandlich, wobei zu bedenken bleibt, daß man mit solchen Aufbauten räumlich betrachtet kaum an die Nähe der Umformwerkzeuge herankommt; dies aber umformtechnisch eine Voraussetzung zur Optimierung des Prozesses ist.
• 2. Die pyrometrischen Verfahren haben große Probleme mit Störstrahlungen, diese resultieren entweder aus der notwendigen Umgebungswärme der aufgeheizten Umformmaschine oder aus Umgebungslicht, sei es für die visuelle Kontrolle des Halbzeuges oder ganz einfach von der Sonneneinstrahlung.
• 3. Die Halbzeuge strahlen räumlich mit verschiedener Intensität, dies ist bei Aluminium und seinen Legierungen auf Polarisationseffekte zurückzuführen. Es ist aber bei manchen Umformprozessen kaum zu vermeiden, daß die Halbzeuge nicht ihre Oberflächenlage während der Umformung verändern (z. B. "Welligkeit" bei Strangpreßprofilen).
• 4. Auch die Morphologie der Halbzeugoberflächen, d. h. deren Rauhigkeit, beeinflußt die gemessene Strahlungsintensität als Ergebnis für die Erfassung von "objektiven Temperaturen".
• 5. Gesamt- und Teilstrahlungspyrometer sind entfernungsabhängig im Meßergebnis, so daß über Abstandsmessungen ein zusätzlicher Parameter für die Erfassung der Temperatur erfaßt und eingerechnet werden muß.
• 6. Bei Verhältnis- (Quotienten-) Pyrometern muß mit optischen Filtern gearbeitet werden. Diese haben erstens für die temperaturabhängige Wellenlänge der thermischen Strahlung keine dazu stehende einfach-proportionale Durchlässigkeit ("Zipfelverhalten" der Transmission), zweitens sind diese Filter auch bezüglich der Transmission temperaturempfindlich, und drittens unterliegen die Filter einer natürlichen Alterung.
• 7. Die strahlungspyrometrischen Verfahren arbeiten mit optischen Strahlengängen und sind deshalb zwischen dem wärmestrahlenden Halbzeug und dem gekühlten Fenster, Linsen sowie IR-Detektoren äußerst empfindlich auf strahlungsabsorbierende Partikel, wie diese bei technischen Umformprozessen kaum zu vermeiden sind ("Rauch"). Das gibt auch Probleme hinsichtlich der Wartung mittels Prävention gegenüber Verschmutzung im Betrieb.
• 8. Wiederholungsmessungen an zwischendurch abgelegten und wiedererwärmten Aluminiumhalbzeugen sind unmöglich, weil durch Oxidbedeckung das Emissionsverhalten des Halbzeugstrahlers völlig geändert wurde.

Andere Verfahren zur Ermittlung der "objektiven" Umformtemperatur an Halbzeugen haben sich nach dem Stand der Technik auch nicht bewährt, insbesondere wenn man die industrielle Anwendung berücksichtigt. Genannt sei hier lediglich das Verfahren, in die Reibfläche von Strangpreßmatrizen Thermoelemente einzupassen, wobei sogar erprobt wurde, die Elementspitze direkt in die Reibfläche einzupassen. Die Nachteile sind sehr hohe Kosten, Auswaschungen an der inhomogen gewordenen Reibfläche und dadurch auch Markierungen auf den Halbzeugen, die nicht erwünscht sind. Über Versuche in Forschung und Praxis ist dieses sehr interessante Verfahren nicht herausgekommen.

Eine meßtechnisch brauchbare und zum Einsatz unter Umformbedingungen stabile Temperaturerfassung an Halbzeugen direkt am Ort der Umformung ist nach dem Stand der Technik bisher nicht bekannt.

Das folgend beschriebene "Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung an metallischen und nichtmetallischen Halbzeugen" soll die vorhergehend ausgeführten Nachteile von bisher dafür vorgesehenen Meßverfahren weitgehend beseitigen und damit erfindungsgemäß den Stand der Technik mit einer völlig neuen Meßmethode erweitern oder auch ergänzen.

Zur Erläuterung der neuen Meßmethode dient das anliegende Bild.

Als Beispiel für die Anwendung des neuen Meßverfahrens wurde der Umformprozeß mittels Strangpressen gewählt.

In der Nähe des Mundstückes einer Strangpresse (1) für die Herstellung von Leichtmetallhalbzeugen befindet sich leicht lösbar und verdrehsicher mit Bolzen (14) fixiert ein Meßgerät, das im wesentlichen aus den im Schnitt gezeigten rohrförmigen Hohlkörpern mit den Wandungen (5) und (4) besteht, wobei der innenliegende Hohlkörper eine etwa düsenförmige Öffnung (9) gegenüber dem aus der Matrize (2) austretenden Halbzeug (3) besitzt. Das austretende Leichtmetallhalbzeug läuft im Bild nach links (Pfeilmarkierung).

Der außenliegende Hohlkörper ist mit dem innenliegenden Hohlkörper dicht verbunden, was etwa durch eine für die Umgebungsbedingungen thermisch beständige Hartlötung oder Schweißung erreicht wird.

Der außenliegende Hohlkörper mit der Wandung (5) dient für die Kühlung des Meßsystems mit Gasen oder Flüssigkeiten. Dazu wird bei (6) das Kühlmedium so eingeführt, daß über im äußeren Hohlkörper eingebrachte Führungsrohre eine intensive Kühlung vorzugsweise im Bereich der Meßöffnung (9) eintritt, das rückströmende Medium aber auch für eine Kühlung des inneren Hohlkörpers sorgt, der eine Gasströmung (8) in Richtung der Pfeilmarkierung führt.

Das durch Überdruck an (6) zum Auslaß (7) gelangende Kühlmedium sorgt auch für die Kühlung von ummantelten Temperatursensoren (10) und (11), deren Mäntel dicht durch die Wandung des inneren Hohlkörpers bei (15) und (16) kommen. An den innenliegenden Hohlkörper schließt links im Bild und darin nicht eingezeichnet ein bekanntes System zur Erzeugung von Unterdruck an, wofür beispielsweise rotierende Sauggebläse mit motorischen Antrieben oder auch gas- oder flüssigkeitsbeschickte Ejektoren dienen. Das Unterdrucksystem bewirkt die Gasströmung in Richtung von der Pfeilmarkierung (8), wobei ein das Halbzeug umgebendes Gas oder Gasgemisch mit der am Halbzeug wirksamen Grenzflächentemperatur so abgesaugt wird, daß die warme Gasströmung zunächst den Temperatursensor (11) und dann den Temperatursensor (10) passiert. Die Differenztemperatur zwischen den ortsfest aufgebauten Sensoren (10) und (11) ist bei konstanter Gasströmung ein Maß für die Oberflächentemperatur am Halbzeug. Außerdem wirkt die Wasserkühlung im äußeren Hohlkörper auf die vorzugsweise metallischen Mäntel der Sensoren über die Durchführungspunkte (15) und (16) ein, so daß auch dort für definierte Temperaturgradienten im Verlauf der Sensorummantelungen gesorgt wird. In diesem Zusammenhang soll das Kühlmedium, z. B. Preßluft, andere Preßgase oder Preßgasgemische keinen zu großen Temperaturschwankungen unterliegen oder eben thermostatisiert sein.

Das Verfahren hat viele Vorteile gegenüber dem bekannten und vorhergehend erläuterten Stand der Technik.

Es ist unempfindlich gegen Verschmutzung und kann leicht gereinigt werden, etwa durch Innenspülungen im Bereich des innenliegenden Hohlkörpers. Die Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen, die als Partikel mit in die Meßöffnung (9) gelangen, ist sehr gering. Das Verfahren reagiert nur mit sehr kleinen Meßfehlern gegenüber veränderten Emissionseigenschaften des Halbzeugs als thermischer Strahler, so daß Änderungen des Emissionskoeffizienten, der Strahlungspolarisation und von geänderter Maschinentemperatur im Rahmen der Forderungen von etwa ±2 Grad C objektiver Halbzeugtemperatur bleiben. Voraussetzung für die Optimierung des Verfahrens ist es nur, die Meßöffnung bei (9) möglichst dicht an das Halbzeug heranzubringen. Direkt hinter einer Strangpreßmatrize (2), wie in diesem Beispiel gezeigt, gibt es da kaum Probleme, weil das umgeformt austretende Halbzeug dort sehr ruhig ohne Vertikalversatz austritt. Auch ist es üblich, das austretende Halbzeug (3) mit beispielsweise Graphitunterlagen (17) in beweglicher und/oder fester Art zu stützen. An Punkt (18) befindet sich eine justierbare Aufhängung gegen den Rahmen der Umformmaschine; ein Ausgleiten der verdrehsicheren Fixierung zwischen (14) und (1) wird beispielsweise durch eine Federkraft verhindert, die, im Bild nicht eingezeichnet, links in horizontaler Richtung auf das Pressenmundstück hin gerichtet ist. Dies ist aber nur ein Beispiel stellvertretend für viele bekannte Möglichkeiten von Halterungen. Die Temperatursensoren selbst sind nach den physikalisch und technisch bekannten Arten in verschiedenster Form je nach dem Verwendungszweck und der Temperaturhöhe ausgewählt einsetzbar. Beispielsweise können verwendet werden Thermoelemente, Widerstandsthermometer, temperaturempfindliche Halbleiter auch in keramischer Form sowie temperaturempfindliche Schwingkreisschaltungen, wobei der Sensor etwa ein Quarzkristall sein kann. Das sind lediglich Beispiele, wobei zu bemerken ist, daß die elektrische Temperaturmeßtechnik vorzugsweise eingesetzt wird und dabei insbesondere metallisch ummantelte Sensoren zur Verwendung kommen. Bei Thermoelementen haben sich wegen der guten Linearität die Ni-CrNi-Elemente bewährt, bei Widerstandsthermometern empfiehlt sich solches Material aus Kupfer einschließlich Vierleiteranschluß. Bei genügender Temperaturlage kann bereits mit einem Sensor nach (11) gearbeitet werden, weil dann die zur Umrechnung auf objektive Halbzeugtemperatur notwendig mit dem neuen Meßverfahren gemessene Differenztemperatur sich bereits daraus ergibt, daß an der Ummantelung von Sensor (11) in Verbindung mit der über (16) wirksam werdenden Kühlung ein sich mit der abgesaugten Gaswärme einstellender Temperaturgradient einstellt, der Auswirkungen bis zum Sensor selbst hat. Eine solche Messung ist aber als Ausnahme zu bezeichnen. Bei der Verwendung von Thermoelementen ist es auch möglich, die Ausgleichsstelle zur Kompensierung bzw. Konstanthaltung der Umgebungstemperatur direkt in das Kühlmedium zu legen, welches im äußeren Hüllrohr strömt. Infrarotdetektoren werden nur an Meßpunkten eingesetzt, die keinen Zutritt von direkter Wärmestrahlung erlauben, was im horizontalen Teil des inneren Rohrkörpers etwa von Punkt (10) an linksorientiert möglich ist. Solche Detektoren können, wie bekannt, auch mit elektrischen oder sonstigen Kühlungen zur Abführung von Verlustwärme verwendet werden. Eine Ergänzung des neuen Systems mit Sensoren, die direkt von der Strahlung des warmen Halbzeuges getroffen, ist möglich, jedoch für das insgesamte neue Meßsystem nicht zwingend. Das neuartige Meßverfahren wird empirisch geeicht. Dazu benötigt man bekannte Meßsysteme wie beispielsweise Kontakt- bzw. Stech-Thermoelemente, die vorhergehend kalibriert wurden. Die Auswertung des Meßsignals von den Sensoren (10) und (11) erfolgt in bekannter Weise durch Differenzbildung mit entsprechenden elektrischen Schaltungen, z. B. passiv über Brückenwiderstandsnetzwerke oder aktiv mit Differenzoperationsverstärkern. Dieses resultierende Signal wird analog oder digital weiterverarbeitet mit dem Ziel, in einem einfachen Rechner den aus der Eichreferenzmessung erhaltenen Korrekturwert zur Berechnung der mit dem neuen Verfahren anzuzeigenden objektiven Halbzeugoberflächentemperatur zu korrelieren und anschließend zur Anzeige und/oder Speicherung zu bringen. Das resultierende Signal des als erfindungsgemäß vorgestellten Meßverfahrens kann, wie oben angegeben korrigiert oder auch unkorrigiert für Steuerungs- und/oder Regelungsaufgaben an der Umformmaschine weiter in bekannter Art verwendet werden.

Das Meßprinzip basiert auf dem Zusammenhang von einer Meßgasströmung, die direkt über einer aufgeheizten Halbzeugoberfläche durch Absaugung erzeugt wird, mit der am Halbzeug tatsächlich objektiv auftretenden Oberflächentemperatur. Die temperaturabhängige Dichte des Meßgases und dessen spezifische Wärme sind Verfahrensparameter, so daß nach einer bestimmten Abstandseichung zwischen Profil (3) und dem vom Meßgasstrom zuerst getroffenen Temperatursensor (11) eine Gesamteichung des neuen Meßverfahrens immer nur für eine bestimmte Meßart zutreffen kann. Als Meßgase sind beispielsweise Luft oder ein Inertgas, wie Stickstoff, zu nennen. Andere Umgungsgase, außer atmosphärischer Luft, die bei den meisten industriellen Umformungsprozessen allgegenwärtig ist, müssen mit geeigneten Zuleitungen bis vor die formgebenden Werkzeuge gebracht werden und den Bereich der Meßöffnung (9) mit bedecken. Dabei dürfen die eingebrachten Gase aber keinen zusätzlichen Effekt auf die Meßgasströmung in Richtung von (8) bewirken.

Soweit der erste in der Meßgasströmung liegende Sensor (11) direkt auf die Halbzeugoberfläche ausgerichtet ist, wie das als Beispiel in der Zeichnung dargestellt wurde, so ist darauf zu achten, daß der eigentliche Meßkopf keine strahlungsabsorbierenden Oberflächen aufweist. Prinzipiell können auch beide oder mehrere Sensoren nur so in dem inneren Hohlkörper angeordnet werden, daß diese alle keine direkte Sichtverbindung zum Halbzeug haben.

Der allgemein physikalische Vorteil des neuartigen Meßverfahrens liegt darin begründet, daß zwischen der durch Umformprozesse aufgeheizten Halbzeugoberfläche und dem abgesaugten Meßgas ein direkter Wärmeübergang von den Bestandteilen des Halbzeuges zu den momentan aufliegenden Bestandteilen des Meßgases erfolgt. Je nach Führung der Verfahrensparameter ist es daher möglich, den Strahlungseinfluß des Halbzeuges auf die Gesamtwärmebilanz des Meßgases zu minimieren. Damit wird man unabhängiger vom Einfluß des Emissionskoeffizienten und auch von dem Einfluß der Oberflächenmorphologie des Halbzeuges.

Das Verfahren gestattet auch, thermisch besonders kritische Gestaltszonen, wie etwa dünne Stege an Strangpreß- oder Extrusionsprofilen, gezielt während des Umformvorganges zu beobachten und darauf auch die Regelung von Verformungsgeschwindigkeiten anzuwenden. Dies war bisher speziell in Nähe einer Strangpreßmatrize nicht möglich.

Beim Walzen von Werkstoffen befindet sich das zum Verfahren gehörende Meßgerät direkt über dem erzeugten Halbzeug (Blech, Folie) ganz in der Nähe der formgebenden Walzen direkt hinter dem Walzspalt.

Beim Gesenkschmieden bzw. Gesenkpressen befindet sich das neuartige Meßgerät erfindungsgemäß direkt über dem austretenden Preßgrat, geschlossene Gesenke müssen für den Meßeinsatz modifiziert werden.

Die Meßgasströmung und die Temperatur des Kühlmediums werden im allgemeinen mit bekannten Methoden auf deren Konstanz hin geregelt.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäß vorgestellte neue Meßverfahren so ausgestaltet, daß die leicht lösbare Halterung (14) so geplant wird, daß man für ganze Werkzeug- bzw. Halbzeugserien den Meßabstand von der Meßöffnung (9) zum austretenden Halbzug (3) konstant gestaltet.

Für Messungen an breitflächigen Halbzeugen wie Blechen oder Folien läßt sich das zum neuen Verfahren gehörende Meßgerät in bekannter Weise auch zum linearen Abtasten beweglich aufbauen, etwa um Temperaturprofile in Abhängigkeit von der Halbzeugabmessung aufzunehmen.

Auch ist es möglich, an einem Halbzeug mehrere von dem zum Meßverfahren gehörende Meßgeräte anzubringen.

Bei thermisch sehr sensiblen Umformprozessen, wo eine hohe Umformtemperatur bis zum Werkzeug vorherrscht, das Halbzeug aber verhältnismäßig kühl die Umformzone verläßt, ist es hilfreich, wenn man die Maschinentemperatur meßtechnisch erfaßt und als möglichen Einfluß auf die durch das neue Verfahren ermittelte Halbzeugtemperatur in einem folgenden Rechengang analog oder digital eliminiert.

Claims (4)

1. Verfahren und Gerät zur berührungslosen und kontinuierlichen Temperaturmessung an den aus Umformmaschinen austretenden metallischen, nichtmetallischen oder daraus verbundenen Halbzeugen mittels des in einer Strömung aus Gas oder Gasgemischen mit Sensoren indizierten Temperaturgradienten und dessen Netzung zur Berechnung und Darstellung der momentan anstehenden objektiven Halbzeugtemperatur nach empirisch ermittelten Eichfaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich des aus dem formgebenden Werkzeug austretenden Halbzeuges ein aus rohrförmigen Hohlkörpern zusammengefügtes Gerät mit einer an der Umformmaschine befindlichen sowie lösbaren Halterung befindet, wobei ein innenliegender Hohlkörper an einem Ende mit einer Öffnung nahe gegen das aus der Umformmaschine austretende Halbzeug gerichtet und am anderen Ende druckdicht eine Vorrichtung zur Erzeugung von einer von dem Halbzeug wegführenden Gasströmung angeschlossen ist und im Innenraum des innenliegenden Hohlkörpers sich Temperatursensoren befinden und außerdem ein weiterer rohrförmiger Hohlkörper vorhanden ist, der den innenliegenden Hohlkörper gedichtet umschließt und dabei von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium durchströmt wird, wobei die Hüllen oder Mäntel der im innenliegenden Hohlkörper plazierten Sensoren abgedichtet in den äußeren Hohlkörper und dessen Innenraum eintreten, dort gekühlt werden und mit den Meßleitungen zum Anschluß an meßwertverarbeitende Folgeeinrichtungen den äußeren Hohlkörper durch dessen Wandung gedichtet verlassen.

2. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur objektiven Halbzeugtemperatur korrelierbare Gradientmeßwert mit der Differenzbildung von zwei Temperatursensoren aus deren verkoppelten Einzelsignalen gewonnen wird.

3. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur objektiven Halbzeugtemperatur korrelierbare Gradientmeßwert nur aus einem Temperatursensor gewonnen wird, wobei die Kühlung des Sensormantels bis in den temperaturempfindlichen Meßkopf hineinwirkt.

4. Verfahren und Geräte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Maschinentemperatur kompensiert wird.