DE4037115C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur betriebsmäßigen Ermittlung und Überwachung des elektrischen Widerstands eines an Wechselspannung betriebenen Verbrauchers, insbesondere eines Heizleiters, mit einem mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten Meßwiderstand zur Ermittlung des Stromflusses durch den Widerstand des Verbrauchers, mit einer Signaleinrichtung, die bei Erreichen des für die Messung vorgesehenen Spannungswertes einen Speicherimpuls erzeugt, und mit einem Speicherglied, das beim Austreten des Speicherimpulses den Augenblickswert des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes speichert.

Aus der DE 32 26 253 A1 ist ein batteriebetriebenes Isolationsmeßgerät bekannt, das zur Ermittlung von Widerstandswerten im Bereich oberhalb 500 Kiloohm dient.

Zur Durchführung von Isolationsmessungen sind hohe Spannungen erforderlich. Daher ist das Meßgerät mit einem Gleichspannungswandler versehen, der aus der Batteriespannung eine 500-Volt-Meßspannung erzeugt.

Um den Stromverbrauch gering zu halten, ist das Isolationsmeßgerät mit einer ersten Zeitstufe versehen, durch die der Spannungswandler spätestens nach Ablauf von einer Sekunde abgeschaltet wird.

Weiter enthält das Isolationsmeßgerät einen Spannungsregler, der bei Erreichen der vorgesehenen Meßspannung eine zweite Zeitstufe ansteuert, die einerseits über die erste Zeitstufe den Gleichspannungswandler ausschaltet und andererseits dafür sorgt, daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand gespeichert wird.

Bei diesem Gerät zur Messung des Isolationswiderstandes wird somit eine bestimmte - hohe - Meßspannung vorgegeben, soweit jedenfalls die Batteriespannung einen unteren Wert der Entladespannung nicht unterschritten hat, worauf eine konventionelle Widerstandsmessung in der Weise erfolgt, daß an den zu messenden Widerstand die Maßspannung angelegt und der sich einstellende Strom bestimmt wird.

Aus der DE 31 18 770 A1 ist ein Widerstands-Meßschaltkreis bekannt, bei welchem der zu bestimmende unbekannte Widerstand mit einem bekannten Referenz-Widerstand in Reihe geschaltet und durch das sich anschließende Meßverfahren das Verhältnis zwischen dem unbekannten und dem bekannten Widerstand bestimmt wird. Hierzu wird zunächst während eines fest vorgegebenen Zeitintervalls die an einem der beiden Widerstände abfallende Spannung einem Integrator zugeführt. Während einer zweiten, sich daran anschließenden Zeitperiode wird das Vorzeichen der Integration umgekehrt und dem Integrator die über dem zweiten der beiden Widerstände abfallende Spannung zugeführt. Bei Gleichheit zwischen dem Ausgangssignal des Integrators und dem Bezugspotential beendet ein Vergleicher die zweite veränderliche Zeitperiode. Das Widerstandsverhältnis entspricht dann dem ermittelten Verhältnis der beiden Zeitperioden.

Auch dieses Meßverfahren erlaubt nur die Bestimmung des Widerstandes eines ohmschen Verbrauchers, der sich nicht in betriebsmäßigem Zustand befindet.

Die laufende Überwachung des elektrischen Widerstandes des Heizleiters bzw. -widerstands ist bei Wärmegeräten aller Art aus mehreren Gründen zweckmäßig bzw. notwendig. Zum einen besteht die Möglichkeit, über den ermittelten Widerstandswert bzw. dessen Änderung bei Kenntnis des Temperaturkoeffizienten den augenblicklichen Temperaturwert zu ermitteln. Zum anderen besteht die Möglichkeit, Widerstandsänderungen zu erfassen, die durch Alterungsprozesse, insbesondere durch Oxydation, bei sehr hohen Temperaturen betriebenen Heizleitern auftreten. Die fortschreitende Alterung des Heizleiters läßt sich dadurch frühzeitig erkennen, so daß ein Austausch des Heizleiters rechtzeitig vor dessen Ausfall vorgenommen werden kann.

Bei einfachen Geräten zur Heißlufterzeugung im Temperaturbereich zwischen 100°C und 800°C ist es für die Funktions- und auch Gerätesicherheit wichtig, die Temperatur des Heizdrahtes zu überwachen, so daß das Auftreten von Übertemperaturen vermieden werden kann. Übertemperaturen entstehen bei solchen Geräten insbesondere bei einer Verringerung oder Behinderung des Luftdurchsatzes durch den Heizkörper, etwa bei Ausfall des den Luftdurchsatz bewirkenden Gebläses. Die dann entstehenden Übertemperaturen können zu Schäden am Gerät, nämlich einer Zerstörung des Heizkörpers oder thermischen Beschädigung anderer Geräteteile führen. Hierdurch ist auch die Gefahr eines durch das Gerät verursachten Brandes gegeben.

Solche Geräte, die in der Regel mit einer einfachen Leistungsstellung, also ohne Regelung ausgestattet sind, besitzen im allgemeinen mechanisch schaltende Temperaturbegrenzer in der Form eines Bimetall-Kontaktes. Wegen der thermischen Trägheit dieser Temperaturbegrenzer können größere Geräteleistungen, die bei einem großen Luftdurchsatz möglich wären, nicht mehr ausreichend abgesichert werden, da entsprechend leistungsstarke Heizkörper bei unterbrochener Luftzufuhr in kürzester Zeit verglühen, ohne daß zuvor der Bimetall-Schalter ansprechen könnte.

Der Einsatz anderer Temperatursensoren, wie z. B. nicht lineare Widerstände, Halbleitersensoren oder Infrarot-Detektoren, würde zwar eine schnellere, in der Regel jedoch noch immer nicht ausreichende Erkennung von entstehenden Übertemperaturen ermöglichen; der beträchtliche Zusatzaufwand an Auswerteelektronik und Schaltgliedern würde sich jedoch wirtschaftlich nicht rechtfertigen.

Bei industriell eingesetzten Heißluftgeräten etwa zum Schweißen von Kunststoffen oder zur Holzoberflächenbearbeitung finden Heizkörper mit großen Leistungen bei kleinen Abmessungen Verwendung, die bei reduziertem oder blockiertem Luftdurchsatz sehr schnell aufglühen. Solche Betriebsstörungen lassen sich nur mit extrem schnellen Sensoren erfassen. Hierfür geeignete Sensoren, z. B. Fotodioden, die die temperaturabhängige Infrarot-Strahlung des Heizdrahtes messen könnten, müßten im Einflußbereich der heißen Luft eingesetzt werden. Den üblichen Betriebstemperaturen zwischen 500° und 800°C halten diese Sensoren aber in der Regel nicht stand. Thermoelemente oder temperaturabhängige Meßwiderstände, die für diesen Temperaturbereich geeignet sind, können hierfür jedoch nicht eingesetzt werden, da die Wärmeübertragung zu ihnen durch den Luftstrom erfolgt. Wird dieser unterbrochen, so kann die Wärmeübertragung von dem dann aufglühenden Heizkörper nurmehr durch Konvektion erfolgen. Dieser Vorgang ist jedoch zu träge, als daß der Heizleiter noch rechtzeitig abgeschaltet werden könnte.

Bei industriellen Öfen liegt die Betriebstemperatur der dort eingesetzten Heizkörper bei 1100 bis 1200°C. Bei diesen hohen Temperaturen bildet sich an der Oberfläche des Heizdrahtes eine mit der Betriebsdauer zunehmend stärker werdende Oxydschicht, die letztlich zum Ausfall des Heizkörpers führt. Bei FeNiCr-Heizdrähten beginnt diese Oxydation merklich erst bei Temperaturen oberhalb 850°C, wobei sich hier eine Chromoxydschicht bildet.

Ein unvorhergesehener Ausfall eines Heizkörpers kann je nach dem im Ofen ablaufenden Herstellungs- und Verarbeitungsprozeß erheblichen Schaden verursachen. Ein bevorstehender Ausfall des Heizleiters läßt sich aber nur durch eine kontinuierliche, betriebsmäßige Überwachung des Widerstandswertes frühzeitig erkennen.

Wird der Heizleiter selbst als Meßwiderstand verwendet, so bietet sich als Material insbesondere Reinnickel an, das einen sehr ausgeprägten Temperaturkoeffizienten besitzt. Bei Heißluftgebläsen mit entsprechend hohen Leistungen und Temperaturen ist Reinnickel jedoch aus mehreren Gründen ungeeignet. Der vergleichsweise geringe spezifische elektrische Widerstand macht große Drahtlängen oder sehr geringe Drahtdurchmesser erforderlich. Der große Temperaturkoeffizient hat einen sehr niedrigen Kaltwiderstand zur Folge, so daß hohe Einschaltströme auftreten. Schließlich ist Reinnickel gegenüber anderen Widerstandsmaterialien vergleichsweise teuer.

Dagegen besitzen die FeNiCr-Legierungen einen mehr als zehnfach höheren spezifischen elektrischen Widerstand bei einem jedoch etwa um den Faktor 200 kleineren Temperaturkoeffizienten. Somit sind diese Legierungen als Heizdrähte sehr geeignet, erschweren jedoch die Messung der Widerstandsänderung erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine zuverlässige und genaue Messung der Widerstandsänderung während des Betriebs des Heizleiters ermöglicht und dabei auch Störeinflüsse wie z. B. Schwankungen der Versorgungsspannung eliminiert.

Eine diese Aufgabe lösende Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleinrichtung von einem Spannungskomparator gebildet ist, der bei Überschreiten und/oder Unterschreiten eines bestimmten, deutlich unter den Scheitelwert der Wechselspannung liegenden Spannungswertes den Speicherimpuls erzeugt, wobei der Spannungskomparator mit seinem einen Eingang am Abgriff eines an der Versorgungsspannung liegenden Spannungsteilers angeschlossen ist und der andere Eingang von einer fest einstellbaren Vergleichs-Referenz-Spannung gespeist wird.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht zunächst darin, daß die Messung des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes stets zu einem bestimmten Spannungswert der Versorgungsspannung erfolgt, so daß der in dem Speicherglied erfaßte Meßwert nach Berücksichtigung eines Skalierungsfaktors unmittelbar den Widerstand des Heizleiters angibt. Da der Spannungswert, bei welchem der Meßvorgang erfolgt, zweckmäßigerweise deutlich kleiner als der Scheitelwert der Spannung gewählt wird, ist der Meßvorgang von Änderungen der Versorgungsspannung völlig unbeeinflußt. Ist die am Eingang des dem Spannungsteiler zugeordneten Komparators anliegende Vergleichs-Referenz-Spannung ein fester, beispielsweise positiver Spannungswert gegenüber dem Fußpunkt des Meßwiderstandes R_M, so wird lediglich einmal während einer vollen Periode des Wechselspannungssignals ein Speicherimpuls ausgelöst. Ob diese Auslösung beim Unter- bzw. Überschreiten der Referenzspannung erfolgt, hängt lediglich davon ab, welche der beiden zu vergleichenden Spannungen am invertierenden bzw. am nichtinvertierenden Eingang des Komparators angeschlossen ist.

Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Vergleichs-Referenz-Spannung am Eingang des Komparators entsprechend der Wechselspannung jeweils zu invertieren. Auf diese Weise würde zweimal je Periode ein Speicherimpuls erzeugt werden, wobei bei dieser Betriebsweise der Betrag der Referenzspannung selbstverständlich gleich sein müßte.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, sowohl beim Über- wie auch beim Unterschreiten des Spannungswertes einen Speicherimpuls auszulösen. Dies könnte einerseits durch eine Doppel-Komparator-Schaltung erfolgen, bei welcher jeweils der invertierende und der nichtinvertierende Eingang der beiden Komparatoren miteinander verbunden wären. Bei einer UND-Verknüpfung der beiden mit einem offenen Kollektor versehenen Komparatorausgänge würde sowohl beim Über- wie auch beim Unterschreiten des Spannungswertes eine Spannungsflanke gleicher Richtung erzeugt werden. Ebenso besteht auch die Möglichkeit, nur einen Komparator zu verwenden, wobei der Komparator an seinem Ausgang mit zwei parallelen Trigger-Stufen (Mono-Flops) versehen sein kann, deren eine auf die ansteigende und deren andere auf die abfallende Flanke einen Speicherimpuls erzeugt. Hierdurch könnte mit minimalem Mehraufwand der Widerstand viermal während einer Periode ermittelt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Spannungsklemme oder den Spannungsklemmen des Meßwiderstands ein den abgegriffenen Spannungswert verstärkender Operationsverstärker angeschlossen ist.

Weiter kann in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß dem Ausgang des Operationsverstärkers ein Subtrahierglied nachgeschaltet ist, dessen zweiter Eingang von einer fest einstellbaren Offset-Referenz-Spannung gespeist wird. Auf diese Weise ist es möglich, den durch die Grundlast des Heizleiters am Meßwiderstand verursachten Spannungsabfall im wesentlichen zu kompensieren, so daß - bei entsprechender Verstärkung des Operationsverstärkers - am Ausgang des Subtrahiergliedes ein Spannungssignal ansteht, das im wesentlichen nur noch die zu überwachende Widerstandsänderung angibt.

Das Speicherglied ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung eine Sample-Hold-Schaltung. Hierdurch besteht auch die Möglichkeit, den Spannungswert der Sample-Hold-Schaltung nur kurzzeitig, nämlich zum Meßzeitpunkt, festzuhalten und für die weitere Anzeige in geeigneter Form, beispielsweise durch Digitalisierung, weiterzuspeichern, da bei dieser Betriebsweise besonders kurze Einstellzeiten der Sample-Hold-Schaltung erreicht werden.

Zwischen dem Verbraucher und dem Meßwiderstand kann ein Schaltelement angeordnet sein, das zum An- und Abschalten des Heizleiters und damit auch zu einer Temperaturregelung dienen kann. Das Schaltelement kann ein Thyristor oder ein Triac sein.

In anderer, bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann das Schaltelement von einer Phasenanschnittsteuerung oder von einer den Stromfluß jeweils im Spannungsnulldurchgang ein- und nach einer bestimmten Zahl von Spannungshalbperioden wieder ausschaltenden Paketwellensteuerung betätigt sein. Im Falle einer Phasenanschnittsteuerung muß der Spannungswert, bei dem die Messung erfolgt, entsprechend dem minimalen bzw. maximalen Phasenanschnittwinkel entsprechend niedrig gewählt werden.

Schließlich kann dem Speicherglied ein Anzeigeinstrument und/oder ein weiterer Komparator nachgeschaltet sein, wobei der Komparator bei Über- oder Unterschreiten eines kritischen Wertes ein Alarmsignal erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heizkreises nach der Erfindung,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im Blockschaltbild,

Fig. 3 den Abtastverstärker nach Fig. 2,

Fig. 4 eine gegenüber der Fig. 3 erweiterte Schaltungsanordnung.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung dient zur betriebsmäßigen Ermittlung und Überwachung des elektrischen Widerstands eines durch Wechselstrom über die Klemmung gespeisten, im wesentlichen ohmschen Verbrauchers 8. Insbesondere dient die Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Heizleiters 8 in einem Heizstromkreis, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist.

Im einzelnen besteht der Heizstromkreis aus dem Heizleiter 8 selbst, aus einem mit dem Heizleiter 8 in Reihe geschalteten Meßwiderstand 1 sowie aus einem zwischen beiden angeordneten Schaltelement 10.

Wie sich insbesondere aus den Fig. 3 und 4 ergibt, ist ferner ein Spannungskomparator 5 vorgesehen, der bei Über- und/oder Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes der den Verbraucher 8 speisenden Versorgungsspannung einen logischen Steuerimpuls erzeugt. Dadurch wird der Meßzeitpunkt durch den Augenblick bestimmt, in welchem die Versorgungsspannung den am Spannungskomparator 5 voreingestellten Wert erreicht.

Schließlich ist ein Speicherglied 4 vorgesehen, das den beim Auftreten des Steuerimpulses am Meßwiderstand 1 anstehenden Augenblickswert des Stromflusses speichert.

Der an der Spannungsklemme bzw. den Spannungsklemmen des Meßwiderstandes 1 abgegriffene Spannungswert wird über einen Operationsverstärker 2 zur Weiterverarbeitung hinreichend hoch verstärkt, da der Spannungsabfall am Meßwiderstand 1 zur Vermeidung unnötiger Verluste möglichst klein gehalten wird.

Dem Ausgang des Operationsverstärkers 2 ist ein Subtrahierglied 3 nachgeschaltet, dessen zweiter Eingang 3.1 von einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten, fest einstellbaren Offset-Referenz-Spannung gespeist wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2 so weitgehend zu kompensieren, daß das Ausgangssignal des Subtrahierers 3 im wesentlichen durch die Widerstandsänderungen des Heizleiters 8 bestimmt werden.

Der Spannungskomparator 5 ist mit seinem einen Eingang 5.1 am Abgriff eines an der Versorgungsspannung liegenden Spannungsteilers 11 angeschlossen, während der andere Eingang 5.2 von einer fest einstellbaren, in der Zeichnung ebenfalls nicht wiedergegebenen Vergleichs-Referenz-Spannung gespeist wird. Diese Vergleichs-Referenz-Spannung bestimmt zusammen mit den Widerstandswerten des Spannungsteilers 11 den Spannungswert der Versorgungsspannung, bei welchem der logische Steuerimpuls erzeugt wird.

Das Speicherglied ist von einer üblichen Sample-Hold-Schaltung 4 gebildet, hält also beim Auftreten des logischen Steuerimpulses den Wert des zu diesem Zeitpunkt durch den Meßwiderstand 1 fließenden Stromes fest. Da dieser Stromwert stets zu einem festliegenden Spannungswert ermittelt wird, ergibt sich eine direkte Proportionalität zum Widerstandswert des Heizleiters 8, so daß zusätzliche Umrechnungen und Weiterverarbeitungen des Ausgangssignals nicht erforderlich sind. Insbesondere haben die maximale Scheitelhöhe der Versorgungsspannung und somit auch Netzspannungsschwankungen keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Messung.

Das Schaltelement kann in üblicher Weise von einem Thyristor oder einem Triac gebildet sein, wobei auch die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit besteht, die Leistung im Heizleiter 8 durch eine Phasenanschnittsteuerung zu regeln. In diesem Fall muß die Vergleichs-Referenz-Spannung so gewählt werden, daß eine Messung stets nur dann erfolgt, wenn sich das Schaltelement 10 im durchgeschalteten Zustand befindet. Ebenso besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Schaltelement 10 durch eine Paketwellensteuerung anzusteuern.

In Fig. 4 ist noch die Möglichkeit angedeutet, dem Speicherglied ein Anzeigeinstrument 6 und/oder einen weiteren Komparator 7 nachzuschalten. Der Komparator 7 kann dann bei Über- oder Unterschreitung eines kritischen Wertes ein Alarmsignal erzeugen, durch das darauf aufmerksam gemacht werden kann, daß ein Austauschen des Heizleiters 8 in Kürze notwendig wird.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur betriebsmäßigen Ermittlung und Überwachung des elektrischen Widerstands eines an Wechselspannung betriebenen Verbrauchers, insbesondere eines Heizleiters, mit einem mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten Meßwiderstand (1) zur Ermittlung des Stromflusses durch den Widerstand des Verbrauchers, mit einer Signaleinrichtung, die bei Erreichen des für die Messung vorgesehenen Spannungswertes einen Speicherimpuls erzeugt, und mit einem Speicherglied, das beim Auftreten des Speicherimpulses den Augenblickswert des durch den Meßwiderstand (1) fließenden Stromes speichert, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleinrichtung von einem Spannungskomparator (5) gebildet ist, der bei Überschreiten und/oder Unterschreiten eines bestimmten, deutlich unter dem Scheitelwert der Wechselspannung liegenden Spannungswertes den Speicherimpuls erzeugt, wobei der Spannungskomparator (5) mit seinem einen Eingang (5.1) am Abgriff eines an der Versorgungsspannung liegenden Spannungsteilers (11) angeschlossen ist und der andere Eingang (5.2) von einer fest einstellbaren Vergleichs-Referenz-Spannung gespeist wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spannungsklemme oder den Spannungsklemmen des Meßwiderstands (1) ein den abgegriffenen Spannungswert verstärkender Operationsverstärker (2) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Operationsverstärkers (2) ein Subtrahierglied (3) nachgeschaltet ist, dessen zweiter Eingang (3.1) von einer fest einstellbaren Offset-Referenz-Spannung gespeist wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherglied (4) eine Sample-Hold-Schaltung ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbraucher (8) und dem Meßwiderstand (1) ein Schaltelement (10) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (10) ein Thyristor oder ein Triac ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (10) von einer Phasenanschnittsteuerung (12) oder von einer den Stromfluß jeweils im Spannungsnulldurchgang ein- und nach einer bestimmten Zahl von Spannungshalbperioden wieder ausschaltenden Paketwellensteuerung betätigt wird.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicherglied (4) ein Anzeigeinstrument (6) und/oder ein weiterer Komparator (7) nachgeschaltet ist, wobei der Komparator (7) bei Über- oder Unterschreiten eines kritischen Wertes ein Alarmsignal erzeugt.