DE4024432A1

DE4024432A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der temperatur eines induktiv bzw. transformatorisch beheizten maschinenteils

Info

Publication number: DE4024432A1
Application number: DE4024432A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: IMA INST fur MIKRORECHNER ANW
Current assignee: Ima Institut fur Mikrorechner-Anwendung 40883 Ra
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1990-08-01
Publication date: 1992-02-06
Also published as: FR2665535B1; FR2665535A1; CH682438A5; DE4024432C2; IT1250721B; ITMI912116A0; ITMI912116A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines in duktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primär wicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung fest steht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt. Gegenstand der Erfin dung ist auch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem offenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfel des erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegenüber der Primärwicklung bewegt.

Induktiv beheizte Maschinenteile werden im Maschinenbau vielfältig einge setzt, beispielsweise in Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung, bei Dich tungen in Maschinen und Anlagen, zur Beheizung sich bewegender, insbesondere drehender Maschinenteile usw. Als induktive Beheizung bezeichnet man dabei auch Beheizungen, die auf dem Transformatorprinzip, also nicht auf der Er zeugung von Wirbelströmen, beruhen. In jedem Fall erfolgt die Beheizung des Maschinenteils selbst oder eines im oder am Maschinenteil angeordneten Heiz elementes aus entsprechendem Material, beispielsweise eines als kurzgeschlos sene Sekundärwicklung mit einer Windung wirkenden Kurzschlußringes mittels des von einer Primärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfeldes. Dabei kann sich das Maschinenteil bzw. das Maschinenteil mit dem Heizelement ohne wei teres gegenüber der Primärwicklung bewegen, beispielsweise wie bei Rädern oder Walzen gegenüber der Primärwicklung mit mehr oder weniger hoher Geschwin digkeit drehen.

Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Ermittlung der Temperatur mit Hilfe von Temperatursensoren, die am Maschinenteil an entsprechender Stelle einge baut werden. Das wirft manchmal Schwierigkeiten auf, beispielsweise bei Werk zeugen in der Kunststoffverarbeitung, die zur Reinigung leicht auswechselbar sein müssen, oder bei sich bewegenden, insbesondere rotierenden Maschinen teilen. Im einen Fall müssen spezielle, leicht lösbare Anschlußelemente vor handen und entsprechend in das Werkzeug integriert werden, im anderen Fall müssen Meßwertüberträger vorgesehen und eingebaut werden, um die Temperatur meßsignale vom sich mit dem Maschinenteil bewegenden Temperatursensor zur stationären Meß- und Regeleinrichtung zu übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der in Rede stehenden Art anzugeben, das ohne die zuvor erläuterten Schwierigkeiten eine Ermitt lung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschinenteils erlaubt.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu nächst zur Eichung über den betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschinenteils primärseitig Strom und Spannung und am Maschinenteil die entsprechenden tatsächlichen Temperaturen gemessen und rechnerisch zu Eich parametern verarbeitet und gespeichert werden und daß dann betriebsmäßig nur noch primärseitig Strom und Spannung gemessen werden und daraus rechnerisch die Temperatur des Maschinenteils ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß der sekundärseitig fließende Strom, der letztlich zur Aufheizung des Maschinenteils bzw. des Heizelementes führt, vom ohmschen Widerstand des Maschinenteils bzw. des Heizelements, gemeinhin als sekundärer Kupferwiderstand bezeichnet, abhängt. Dieser steigt mit stei gender Temperatur an, so daß letztlich aus Strom und Spannung auf der Primär seite rechnerisch auf die Temperatur des Maschinenelementes bzw. des Heizele mentes am Maschinenelement geschlossen werden kann. Auch wenn die Meßgenauig keit wegen verschiedener Störeinflüsse hier nicht opimal ist, reicht sie für eine Vielzahl von Anwendungsfällen doch ohne weiteres aus. Wegen der Stör einflüsse und um Geometrie und Widerstand des zu erwärmenden Maschinenteils zu berücksichtigen, müssen anfangs allerdings Eichmessungen vorgenommen wer den wie sie zuvor angegeben worden sind. Im Betrieb kann man dann nur noch primärseitig und damit ortsfest Strom und Spannung messen und daraus die Tem peratur des Maschinenteils bzw. des Heizelementes am Maschinenteil errechnen. Auf die bislang erforderlichen Temperatursensoren am Maschinenteil kann man also verzichten.

Als primärseitigen Strom kann man den äußeren Heizstrom messen, insbesondere kann man das mit Hilfe eines Meßstromwandlers tun. Demgegenüber ist die äußere Heizspannung für die Messung nicht optimal geeignet, da der primärseitige ohmsche Widerstand und der Spannungsabfall über die primärseitige Streuinduk tivität die Meßgenauigkeit negativ beeinflussen. Es empfiehlt sich folglich nach bevorzugter Lehre, als primärseitige Spannung die induzierte Spannung, also die Spannung an der Hauptinduktivität, zu erfassen. Meßtechnisch läßt sich das dadurch realisieren, daß die induzierte Spannung mittels einer Hilfs wicklung auf dem Kern erfaßt wird, die vom Heizstromkreis, also von der Pri märwicklung, völlig getrennt ist.

Grundsätzlich kann man aus der zuvor erläuterten anfänglichen Eichung eine Eichkurve errechnen, jedenfalls wenn man einen Computer einsetzt. Die Meß genauigkeit wird aber weiter verbessert, wenn man das erfindungsgemäße Ver fahren dadurch weiterentwickelt, daß zur Eichung vorab einerseits der ohmsche Widerstand (R₂) des beheizten Maschinenteils bzw. Heizelements in Abhängig keit von dessen Temperatur (T) gemessen und daraus eine Funktion T=f_T (R₂) hier errechnet und abgespeichert wird und andererseits der Strom (I_L) durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall (U_L) an der Haupt induktivität gemessen und daraus eine Funktion I_L=f_L (U_L) errechnet und ab gespeichert wird und daß betriebsmäßig die Temperatur (T) nach der Formel

berechnet wird. Die zuvorgenannte Gleichung ist exakt, sie ist aber rechne risch schwer auszuwerten und insbesondere nichtlinear. Folglich empfiehlt es sich, eine Näherungsformel einzuführen und danach die Auswertung vorzunehmen. Es hat sich gezeigt, daß man zu in der Praxis hinreichend genauen Ergebnissen kommt, wenn die Temperatur nach einer Näherungsformel

berechnet wird, wobei ΔT ein aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicher ter, auch negativer Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperatur wert T ist. Die anfängliche, weiter oben erläuterte Eichmessung findet also hier nur noch in dem Temperatur-Korrekturwert ihren Niederschlag.

Eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art ist zunächst gekennzeichnet durch eine Spannungs-Meßeinrichtung mit einem Spannungs-Meßsensor, eine Strom-Meß einrichtung mit einem Stromsensor und eine Rechen- und Auswerteschaltung. Wei ter bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der nachgeordneten Patentansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbei spiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Grundprinzip einer induktiven, hier genau gesagt transforma torischen Beheizung eines Maschinenteils,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild zu der Anordnung aus Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der Lehre der Erfindung.

In verfahrensmäßiger Hinsicht ist die Lehre weiter oben schon im einzelnen erläutert worden, auf diese Ausführungen darf verwiesen werden.

Fig. 1 zeigt zunächst als Ring angedeutet das induktiv zu beheizende Maschi nenteil 1, das wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung mit einer Windung wirkt. Es wird mittels des von einer Primärwicklung 2 auf einem hier geschlos senen Kern 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes beheizt. Der Kern 3 könnte auch offen sein. Das Maschinenteil 1 ist hier ruhend dargestellt, es könnte sich gegenüber der Primärwicklung 2 auch bewegen, insbesondere drehen. Auch der Kern 3 könnte geteilt sein, wobei sich ein Teil des Kerns 3 mit dem Ma schinenteil 1 mit dreht.

Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild mit der primärseitig anstehenden Heizspan nung U_A, dem äußeren Heizstrom I_A, dem primärseitigen ohmschen Widerstand R₁, der primärseitigen Streuinduktivität L₁, der Hauptinduktivität L, der sekun därseitigen Streuinduktivität L₂, dem sekundärseitigen ohmschen Widerstand R₂, also dem ohmschen Widerstand des Maschinenteils 1, und dem sekundärseitig, durch den ohmschen Widerstand R₂ fließenden Strom I₂. Dieses Ersatzschalt bild macht sofort deutlich warum es meßtechnisch zweckmäßiger ist, die in duzierte Spannung U_L, also die Spannung an der Hauptinduktivität L zu messen als die äußere Heizspannung U_A. Meßtechnisch kann man das so realisieren wie in Fig. 1 dargestellt, also durch eine Hilfswicklung 4 auf dem Kern 3, die von der Primärwicklung 2 getrennt ist.

Folgende Gleichungen lassen sich nun anhand des Ersatzschaltbildes herleiten: Der ohmsche Widerstand R₂ im Sekundärkreis ist von der Temperatur T des Ma schinenteils 1 abhängig. Daraus resultiert, daß man im Umkehrschluß aus der Größe des ohmschen Widerstands R₂ auf die Temperatur T schließen kann. Folg lich gilt T=f_T (R₂).

Für den Widerstand R₂ gilt in zutreffender Näherung R₂= U_L/I₂=U_L/(I_A-I_L). Das resultiert aus der Kirchhoffschen Knotenregel.

Nun gilt aber auch, daß I_L abhängig von der Spannung an der Hauptinduktivi tät, also von U_L, es gilt da also I_L-f_L (U_L).

Wenn man also den ohmschen Widerstand des beheizten Maschinenteils bzw. Heiz elements in Abhängigkeit von dessen tatsächlicher Temperatur mißt, so kann man die erstgenannte Funktion errechnen und abspeichern, während man die zweit genannte Funktion errechnen und abspeichern kann, wenn man den Strom durch die Hauptinduktivität in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an der Hauptinduk tivität mißt und abspeichert.

Die Temperatur läßt sich dann letztlich nach der exakten Formel

berechnen. Eine vorteilhafte, hinreichend genaue und rechentechnisch optimale Näherung stellt folgende Formel dar:

Hierbei stellt dann ΔT einen aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicher ten Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperaturwert T dar, der auch negativ sein kann.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv be heizten Maschinenteils 1. Man erkennt zunächst wieder die Primärwicklung 2, den Kern 3 und die Hilfswicklung 4, die zuvor erläutert worden sind. Ferner sind eingezeichnet eine Wechselstromquelle 5, ein als Steuerelement für die Steuerung des Heizstroms I_A durch die Primärwicklung 2 dienender Triac 6 und ein entsprechender Steueranschluß 7.

Die eigentliche erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt nun zunächst eine Span nungs-Meßeinrichtung 8 mit einem Spannungs-Meßsensor in Form der Hilfswick lung 4, eine Strom-Meßeinrichtung 9 mit einem hier als Meßstromwandler aus geführten Stromsensor 10 und eine Rechen- und Auswerteschaltung 11.

Für die Spannungs-Meßeinrichtung 8 gilt, daß diese im dargestellten, bevor zugten Ausführungsbeispiel einen Spannungs-Impulsumsetzer 12 und einen nach geschalteten Impulszähler 13 aufweist, in entsprechender Weise gilt im hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, daß die Strom-Meßeinrichtung 9 einen Strom-Impulsumsetzer 14 und einen Impulszähler 15 aufweist. Den beiden Umsetzern 12, 13 ist im übrigen noch eine Torschaltung 16 zugeordnet, die über zwei Und-Gatter die Eingänge der beiden Impulszähler 13, 15 nur synchron öffnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zweiteilige Konstruktion gewählt, sind nämlich der Spannungs-Impulsumsetzer 12, der Strom-Impulsumsetzer 14 und die Torschaltung 16 mit den Und-Gattern zu einem Transmitter 17 zusammenge faßt. Alle anderen Teile sind in der Rechen- und Auswerteschaltung 11 zusam mengefaßt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in besonders bevorzugter Weise ausgeführt ist, als sie nämlich eine Temperatur-Eingangsschaltung 18 zum Anschluß eines Temperatursensors 19 aufweist. Dieser Temperatursensor 19 wird für die oben erläuterten Eichmessungen benötigt, er kann also die tatsächliche Temperatur des Maschinenteils 1 mit sensorspezifischer Genauigkeit feststel len. Im übrigen ist die Rechen- und Auswerteschaltung 11 im vorliegenden Aus führungsbeispiel in Form eines Microcomputers realisiert.

Der Microcomputer, der die Rechen- und Auswerteschaltung 11 bildet, hat noch weitere Bestandteile nämlich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kalibrierungsstufe 20, eine Rechnerstufe 21, einen Ausgangsregler 22 und ei nen Ausgangsverstärker 23. Mit dem Ausgangsverstärker 23 ist der Steueran schluß 7 des Triac 6 verbunden, so daß hier also eine komplette Regel chal tung verwirklicht ist. Das ist natürlich nur ein Ausführungsbeispiel.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschi nenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem of fenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegen über der Primärwicklung bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zur Eichung über den betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturbereich des Maschi nenteils primärseitig Strom und Spannung und am Maschinenteil die entsprech enden tatsächlichen Temperaturen gemessen und rechnerisch zu Eichparametern verarbeitet und gespeichert werden und daß dann betriebsmäßig nur noch pri märseitig Strom und Spannung gemessen werden und daraus rechnerisch die Tem peratur des Maschinenteils ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als primärseitiger Strom der äußere Heizstrom (I_A) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, insbesondere der äußere Heizstrom (I_A), mittels eines Meßstromwandlers er faßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als primärseitige Spannung die induzierte Spannung (U_L), also die Spannung an der Hauptinduktivität, erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induzierte Spannung (U_L) mittels einer Hilfswicklung erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung vorab einerseits der ohmsche Widerstand (R₂) des beheizten Ma schinenteils bzw. Heizelements in Abhängigkeit von dessen Temperatur (T) ge messen und daraus eine Funktion T=f_T (R₂) hier errechnet und abgespeichert wird und andererseits der Strom (I_L) durch die Hauptinduktivität in Abhängig keit vom Spannungsabfall (U_L) an der Hauptinduktivität gemessen und daraus eine Funktion I_L=f_L (U_L) errechnet und abgespeichert wird und daß betriebs mäßig die Temperatur (T) nach der Formel berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nach einer Näherungsformel berechnet wird, wobei ΔT ein aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicher ter, auch negativer Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperatur wert T ist.

8. Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Ma schinenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils oder eines Heizelementes im oder am Maschinenteil mittels des von einer Primärwicklung auf einem of fenen oder geschlossenen Kern erzeugten magnetischen Wechselfeldes erfolgt und das Maschinenteil gegenüber der Primärwicklung feststeht oder sich gegen über der Primärwicklung bewegt, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Spannungs-Meßein richtung (8) mit einem Spannungs-Meßsensor (4), eine Strom-Meßeinrichtung (9) mit einem Stromsensor (10) und eine Rechen- und Auswerteschaltung (11).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Meß sensor eine Hilfswicklung (4) auf dem Kern (3) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (10) ein Meßstromwandler ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Meßeinrichtung (8) einen Spannungs-Impulsumsetzer (12) und einen nachgeschalteten Impulszähler (13) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-Meßeinrichtung (9) einen Strom-Impulsumsetzer (14) und einen nachgeschalteten Impulszähler (15) aufweist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungs-Impulsumsetzer (12) und dem Strom-Impulsumsetzer (14) eine Tor schaltung (16) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Impulsumsetzer (12), der Strom-Impulsumsetzer (14) und die Torschaltung (16) zu einem Transmitter (17) zusammengefaßt sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechen- und Auswerteschaltung (11) eine Temperatur-Eingangsschaltung (18) zum Anschluß eines Temperatursensors (19) aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechen- und Auswerteschaltung (11) in Form eines Mikrocomputers rea lisiert ist.