DE4024432C2

DE4024432C2 -

Info

Publication number: DE4024432C2
Application number: DE4024432A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: IMA INSTITUT fur MIKRORECHNER-ANWENDUNG 4330 MUELHEIM DE
Current assignee: IMA INSTITUT FUER MIKRORECHNER-ANWENDUNG, 40883 RA
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1990-08-01
Publication date: 1992-12-03
Also published as: FR2665535B1; ITMI912116A1; FR2665535A1; IT1250721B; CH682438A5; ITMI912116A0; DE4024432A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines in duktiv beheizten Maschinenteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von An spruch 1.

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 dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht (DE 34 32 824 A1), geht es nun darum, die Temperatur eines um einen Heizring geführten Films auf ei nem konstanten Wert zu halten. Der in Teflonlagern rotierende Heizring stellt ein induktiv beheiztes, in diesem Fall sich gegenüber der Primärwicklung drehendes Maschinen teil dar. Das von der Primärwicklung auf einem hier geschlossenen Kern erzeug te magnetische Wechselfeld führt zur induktiven Beheizung des aus Aluminium bestehenden Heizringes. Bei diesem Verfahren geht es darum, die tatsächliche Temperatur des Heizringes möglichst genau festzustellen, um diese durch ent sprechende Regelung des die Primärwicklung durchfließenden Wechselstroms mög lichst konstant zu halten.

Dazu werden betriebsmäßig primärseitig Strom und Spannung gemessen, und zwar als primärseitiger Strom der äußere Heizstrom und als primärseitige Spannung die induzierte Spannung, erfaßt mittels einer Hilfswicklung, die mit Abstand von der Hauptwicklung auf dem geschlossenen Kern angeordnet ist. Durch eine Auswerteschaltung wird die durch die festgestellte, in duzierte Spannung ermittelte Temperatur des Maschinenteils mit der Solltem peratur verglichen und der primärseitige Strom wird entsprechend gesteuert.

Es liegt auf der Hand, daß bei diesem bekannten Verfahren zunächst, also vor Inbetriebnahme einer entsprechenden Vorrichtung, eine Eichung erfolgen muß, nämlich die gewünschte Temperatur des Heizrings eingestellt und festgestellt werden muß, welcher Strom primärseitig fließt und welche Spannung über die Hilfswicklung dann primärseitig erfaßt wird. Die dadurch ermittelten Eich parameter fließen in die rechnerische Auswertung bzw. die Auslegung der Aus werteschaltung, Einstellung von Referenzwerten etc. ein.

Bei dem bekannten Verfahren wird nichts darüber ausgesagt, wie die Eichung tatsächlich durchgeführt werden kann. Das ist bei dem bekannten Verfahren auch deshalb kein Thema, weil nur eine Temperatur, nämlich die Solltempera tur des Heizringes, bestimmt werden muß. Die Bestimmung eines einzigen Tempe raturwertes, also die punktuelle Eichung der Vorrichtung, kann aber ganz ein fach empirisch erfolgen.

Will man das zuvor erläuterte, bekannte Verfahren zur Ermittlung der Tempe ratur eines induktiv beheizten Maschinenteils einsetzen, dessen Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich betriebsmäßig schwanken kann, so muß man ein Eichverfahren und ein Auswerteverfahren haben, das meßtechnisch und auswertungstechnisch sinnvoll ist. Die empirische Ermittlung einer Eichkurve und die Auswertung anhand der empirisch ermittelten Eichkurve wäre zwar auch möglich, ist aber sehr aufwendig.

Im übrigen ist es bekannt, die Temperatur mit Hilfe von Temperatursensoren, die am Maschinenteil an entsprechender Stelle eingebaut werden, zu ermitteln. Das wirft dann Schwierigkeiten auf, wenn das Maschinenteil leicht auswechsel bar sein muß, beispielsweise bei Werkzeugen in der Kunststoffverarbeitung, oder wenn sich das Maschinenteil bewegt, insbesondere rotiert. Im einen Fall müssen spezielle, leicht lösbare Anschlußelemente vorhanden und entsprechend in das Werkzeug integriert werden, im anderen Fall müssen Meßwertüberträger vorgesehen und eingebaut werden, um die Temperaturmeßsignale vom sich mit dem Maschinenteil bewegenden Temperatursensor zur stationären Meß- und Regel einrichtung zu übertragen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte, eingangs erläuter te Verfahren so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Temperatur des Maschinenteils über einen breiten, betriebsmäßig zu erwartenden Temperatur bereich von der Eichung her und auswertungstechnisch einfach ermittelt wer den kann.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Auch hier wird also kein am Maschinenteil eingebauter Tem peratursensor verwendet, sondern es wird ein passendes Eichverfahren mit dem zweckmäßigen Auswerteverfahren kombiniert. Zur Eichung wird nicht mit einer aus Meßpunkten empirisch ermittelten Eichkurve gearbeitet, sondern es wird die vom ohmschen Widerstand des beheizten Maschinenteils abhängige Tempera turfunktion errechnet und abgespeichert. Außerdem wird eine Strom-/Spannungs abfall-Funktion errechnet und abgespeichert. Anstatt des ohmschen Widerstands des beheizten Maschinenteils wird dann der Quotient aus dem ermittelten Span nungsabfall und der Differenz aus dem äußeren Heizstrom und der zum Strom durch die Hauptinduktivität ermittelten Funktion eingesetzt. Damit wird exakt die Temperatur im beheizten Maschinenteil bestimmbar, und zwar auf der Grund lage vorher exakt ermittelter Eichfunktionen.

Die im Patentanspruch 1 angeführte Auswertungsgleichung ist exakt, sie ist aber rechnerisch schwer auszuwerten und insbesondere nichtlinear. Folglich empfiehlt es sich, eine Näherungsformel zu verwenden und die Auswertung nach dieser Näherungsformel vorzunehmen. Diese Näherungsformel ist Gegenstand des Anspruchs 2. Diese Näherungsformel ist für kleine Werte von f_L (U_L) kleiner als 0,2 I_A hinreichend genau. Die Funktion f_L (U_L) ist als solche dimensions los, also ein mathematischer Ausdruck, im Nenner mit der Dimension A, im Zähler in der Näherungsformel mit der Dimension V/A.

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.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer 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 der Lehre der Erfindung.

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. Diese Näherungsformel ist für kleine Werte von f_L(U_L) kleiner als 0,2 J_A hinreichend genau. Die Funktion f_L (U_L) als solche ist dimensionslos als mathematischer Ausdruck und steht im Nenner mit der Dimension A, im Zähler mit der Dimension V/A.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer 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 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 Beispiel einen Spannungs-Impulsumsetzer 12 und einen nach geschalteten Impulszähler 13 aufweist, in entsprechender Weise gilt, 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 Beispiel 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 Beispiel 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 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 Regelschal tung verwirklicht ist.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Maschi nenteils, wobei die Beheizung des Maschinenteils 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, wobei zunächst zur Eichung primärseitig Strom und Spannung und am Maschinenteil die entsprechende tatsächliche Temperatur gemessen und zu Eichparametern verarbeitet und wobei dann betriebsmäßig nur noch primärseitig Strom und Spannung ge messen werden und daraus die Temperatur des Maschinenteils ermittelt wird, 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) 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nach einer Näherungsformel berechnet wird, wobei Δ T ein aus der anfänglichen Eichmessung abgespeicher ter, auch negativer Temperatur-Korrekturwert zu jedem errechneten Temperatur wert T ist.

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

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, insbesondere der äußere Heizstrom (I_A), mittels eines Meßstromwandlers er faßt wird.

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

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