DE4207493A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Überwachung der Temperatur eines Meßkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslo­ sen Überwachung der Temperatur eines Meßkörpers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der DE 31 33 063 A1. Bei dem dort beschriebenen Thermode­ tektor sind ein Meßkörper und eine Detektorspule in einem Magnetfeld angeordnet. Eine Temperaturänderung des Meßkör­ pers führt über die Temperaturabhängigkeit der Permeabili­ tät des Probenmaterials des Meßkörpers zu einer Änderung der Eigenschaften des magnetischen Kreises und ist damit in der Detektorspule erfaßbar.

Aus der DE 19 05 966 ist ein Verfahren zur Temperaturmes­ sung eines Körpers aus elektrisch leitendem Material be­ kannt, bei welchem der Körper einem magnetischen Wechsel­ feld ausgesetzt und die Rückwirkung von Wirbelströmen in dem Körper detektiert und ausgewertet wird.

Die DE 40 06 885 A1 beschreibt einen Sensor zur berüh­ rungslosen Temperaturmessung, bei welchem auf dem Meßob­ jekt ein passiver Resonanzkreis aus einer LC-Kombination angeordnet ist. Der Resonanzkreis steht zur Temperaturmes­ sung in Wechselwirkung mit einem vom Meßobjekt getrennten HF-Sender. Der Kondensator enthält als Dielektrikum ein Material mit stark temperaturabhängiger Dielektrizitäts­ konstante. Es kann sowohl die Temperatur über einen vorge­ gebenen Temperaturbereich gemessen als auch nur des Errei­ chens einer Temperaturschwelle detektiert werden. Für den letzteren Fall wird vorteilhafterweise ein Dielektrikum eingesetzt, dessen materialspezifische Curietemperatur bei dieser Temperaturschwelle liegt, beispielsweise ein Ferro­ elektrikum. Durch die Ausbildung eines Resonanzkreises auf dem Meßobjekt ist diese Anordnung aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art anzugeben, welche auf einfache Weise eine Temperaturüberwachung auf das Erreichen einer Temperaturschwelle ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung zeichnet sich durch besondere Einfachheit und Unempfindlichkeit aus und ist damit auch für Einsätze in verschmutzter und mechanisch beanspruchter Umgebung wie z. B. bei der Überwachung der Temperatur von Kfz-Brems­ scheiben geeignet.

Ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien zeigen in einem Temperaturbereich um die Curie-Temperatur eine starke Änderung der magnetischen Suszeptibilität mit der Temperatur. Insbesondere führt dies zu einer starken Tem­ peraturabhängigkeit der Anfangspermeabilität von ferro- und magnetischen Materialien; d. h. Permeabilität bei klei­ nen Magnetfeldstärken. Durch die hohe absolute Änderung der Permeabilität, insbesondere beim Übergang in den para­ magnetischen Zustand, ist die Detektion der Permeabilität oder einer mit dieser korrelierten anderen Meßgröße rela­ tiv unempfindlich gegen zusätzliche Umwelteinflüsse. Die­ ser Effekt kann ausgenutzt werden um einen temperaturab­ hängigen Induktionsfluß zu erzeugen. Beispielsweise kann dadurch die induktive Kopplung zwischen zwei Spulen tempe­ raturabhängig gemacht werden.

Ferromagnetische Materialien haben sehr unterschiedliche Curie-Temperaturen. Es ist deshalb möglich, durch ge­ eignete Materialauswahl, die Temperatur (Curie-Temperatur) bei der sich die Suszeptibilität stark ändert einzustel­ len. Dies gelingt zumindest für den Temperarturbereich T < 1000°C.

Darüberhinaus gibt es bestimmte ferromagnetische Materia­ lien, für die die Anfangspermeabilität unterhalb der Cu­ rie-Temperatur in einem großen Temperaturbereich eine ein­ deutige Funktion der Temperatur ist.

Die Detektion von Änderungen innerhalb eines Magnetfeldes ist im Prinzip auf verschiedene Arten möglich und an sich bekannt. Die Detektion erfolgt vorzugsweise mittels einer Magnetspule. Der Meßkörper kann sowohl selbst das zu über­ wachende Objekt darstellen als auch lediglich als ein Meßfühler auf einem Meßobjekt angeordnet sein. Im letzte­ ren Fall ist für guten thermischen Kontakt zwischen dem Meßfühler und dem Meßobjekt zu sorgen. Die Form des Meßkörpers ist nicht festgelegt, insbesondere kann es sich auch um eine ferromagnetische Schicht handeln.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführung mit einem Übertrager,

Fig. 2 eine zweite Ausführung mit einem Übertrager,

Fig. 3 eine Ausführung mit einer temperaturab­ hängigen Induktivität,

Fig. 4 eine Abwandlung der Ausführung in Fig. 3.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern K angeordnet. Die erste Spule 1 dient als Erregerspule, die mit einem Wechselstrom aus ei­ nem Generator G betrieben wird. Die zweite Spule 2 dient als Meßspule, in der eine Spannung induziert wird, die zur zeitlichen Änderung des Induktionsflußes proportional ist. Der Kern des Übertragers besitzt einen Spalt, in dem sich ein Meßkörper M aus ferromagnetischem Material befindet, dessen Temperatur durch die Temperatur eines zu überwa­ chenden Meßobjekts p bestimmt wird.

Ändert sich nun die Temperatur des Objekts P und damit die des ferromagnetischen Materials des Meßkörpers M, dann än­ dert sich der Induktionsfluß durch die Meßspule und damit die Amplitude der induzierten Spannung. Speziell beim Überschreiten der Curie-Temperatur tritt eine starke Er­ niedrigung des Induktionsflusses auf. Oberhalb der Curie- Temperatur kann die Anordnung als ein Übertrager mit großem Luftspalt betrachtet werden. Die induzierte Span­ nung als Meßgröße wird in einer Auswerteeinheit A z. B. durch Vergleich mit einer Spannungsschwelle ausgewertet und angezeigt oder als Auswertesignal, beim Schwellenver­ gleich vorzugsweise als Schaltsignal weitergeleitet. Die Spannungsschwelle zur Detektion des Erreichens der Cu­ rie-Temperatur des ferromagnetischen Materials ist so ge­ legt, daß andererseits auch ein innerhalb des Betriebstemperaturbereichs unter der Curie-Temperatur auf­ tretender minimaler Wert der induzierten Spannung die Spannungsschwelle nicht unterschreitet, andererseits beim Übergang des Meßkörpers in den paramagnetischen Zustand zuverlässig eine Schwellwertunterschreitung auftritt. Die Anordnung kann für feststehende Körper oder auch für be­ wegte Körper wie z. B. die Bremsscheibe eines KFZ einge­ setzt werden. Im Fall eines zu überwachenden bewegten Bau­ teils wird das am Bauteil angebrachte ferromagnetische Ma­ terial durch den Luftspalt des Kerns geführt, wobei sich im Luftspalt nicht notwendigerweise permanent ein ferroma­ gnetisches Material befinden muß. Für ein rotierendes Bau­ teil kann das ferromagnetische Material in einem kleinen Winkelsegment angebracht werden. Die induzierte Spannung wird dann lediglich während der Zeit zur Temperaturmessung ausgewertet, in der sich das ferromagnetische Material im Luftspalt befindet. In einer anderen Anwendung, kann das gleiche Prinzip verwendet werden, um die Temperatur einer Vielzahl von Bauteilen zu überwachen. Dabei werden mehrere Bauteile, jeweils versehen mit einem ferromagnetischen Ma­ terial, zeitlich nacheinander am Luftspalt des Übertragers vorbeigeführt.

Eine Abwandlung der Bauform eines temperaturabhängigen Übertragers, der nach dem gleichen Prinzip verwendet wer­ den kann, ist in Fig. 2 skizziert.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 befindet sich ein ferromagnetisches Material im Feldbereich einer Spule. Die Temperatur des Bauteils, auf den das ferromagnetische Ma­ terial aufgebracht ist, bestimmt die Permeabilität und da­ mit die Selbstinduktion der Spule. Die Änderung der Induk­ tivität mit der Temperatur kann in einfacher Weise mittels eines Schwingkreises, bzw. durch Messung der Resonanzfre­ quenz eines Schwingkreises ausgewertet werden. Es besteht wiederum die Möglichkeit, dieses Verfahren zum kontinuier­ lichen Messen der Temperatur oder zur Schwellwerterkennung einzusetzen. Für die Schwellwerterkennung ist es besonders günstig, wenn der Schwingkreis durch Rückkopplung so aus­ geführt wird, daß bei der Curie-Temperatur die Schwingung sehr stark gedämpft wird. Schaltungen mit Schwingkreisen werden beispielsweise auch bei induktiven Näherungsschal­ tern verwendet.

Das ferromagnetische Material muß nicht notwendigerweise in das Spulenvolumen eintauchen, sondern kann wie in Fig. 4 skizziert auch vollständig außerhalb liegen. Für diesen Fall ist der Einsatz eines weichmagnetischen Spulenkerns von Vorteil.

Falls eine hohe Empfindlichkeit für die Temperaturmessung benötigt wird, kann in einer weiteren Ausführungsform die Spule als Teil einer Brückenschaltung eingesetzt werden (siehe Prinzip der induktiven Meßwertaufnehmer). Für die­ sen Fall kann anstelle der Temperaturabhängigkeit eines ferromagnetischen Materials auch die Temperaturabhängig­ keit eines paramagnetischen Materials ausgenutzt werden.

Für die Temperaturmessung kann auch die temperaturabhän­ gige Abschirmung eines magnetischen Wechselfeldes mittels Wirbelströmen ausgenutzt werden. Dazu ist es lediglich notwendig, daß ein Material mit temperaturabhängiger elek­ trischer Leitfähigkeit in das Magnetfeld (z. B. in den Luftspalt eines Übertragers) eingebracht wird. Materia­ lien, die dafür geeignet sind können sowohl Metalle wie auch Halbleiter sein. Bei Halbleitern ergibt sich jedoch ein meßbarer Effekt lediglich in dem Temperaturbereich, in dem der Halbleiter nahezu eigenleitend ist. Durch die Wahl eines geeigneten Halbleitermaterials kann der Arbeitsbe­ reich des Temperatursensors in einem weiten Bereich verän­ dert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die ebenfalls den Wirbelstromeffekt in einem magnetischen Wechselfeld ausnutzt, wird für den Meßkörper ein elek­ trisch leitendes ferromagnetisches Material gewählt. Die Temperaturabhängigkeit der Wirbelstromdichte ist dabei im wesentlichen durch die magnetischen Eigenschaften des Ma­ terials bestimmt, die wie bereits dargelegt eine starke Variation über der Temperatur und insbesondere eine steile Flanke bei der Curie-Temperatur zeigen und dadurch wie­ derum besonders zur Erkennung einer Temperaturschwelle ge­ eignet sind.

Die für ferromagnetische Materialien vorstehend gemachten Ausführungen gelten, bezüglich der magnetischen Eigen­ schaften in äquivalenter Weise für ferrimagnetische Mate­ rialien, deren Übergangstemperatur in den paramagnetischem Zustand auch als Neel-Temperatur bezeichnet wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Überwachung der Tempe­ ratur eines Meßkörpers aus ferromagnetischem Probenmate­ rial innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs des Meßkörpers unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der mittels einer ein Magnetfeld erzeugenden Meßeinrichtung als Meßgröße ermittelbaren Permeabilität des Probenmateri­ als oder einer damit korrespondierenden anderen Meßgröße, dadurch gekennzeichnet, daß die Curie-Temperatur des Pro­ benmaterials innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegt, daß der Minimalwert der Permeabilität im Tempera­ turbereich unterhalb der Curie-Temperatur wesentlich größer als 1 ist, und daß in der Meßeinrichtung ein Schwellwert für die Meßgröße entsprechend einem zwischen dem genannten Minimalwert und 1 liegenden Wert der Permea­ bilität vorgebbar ist und ein Vergleicher aus dem aktuel­ len Wert der Meßgröße und dem Schwellwert ein Schaltsignal ableitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Übertrager mit Luftspalt ent­ hält und die Gewinnung der Meßgröße bei im Luftspalt be­ findlichem Meßkörper erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Schwingkreis mit durch den Meßkörper beeinflußter Induktivität enthält, der so bemes­ sen ist, daß bei über der Curie-Temperatur liegenden Tem­ peratur des Meßkörpers die Schwingung stark gedämpft wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenmaterial elektrisch leitend ist und daß die Meßeinrichtung ein magnetisches Wechsel­ feld erzeugt und die Rückwirkung durch Wirbelströme im Meßkörper mißt und auswertet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper aus ferrimagne­ tischem Material besteht.