DD291422A5

DD291422A5 - Anordnung zur messung der temperatur elektrisch leitender koerper

Info

Publication number: DD291422A5
Application number: DD33666689A
Authority: DD
Inventors: Michael Krampitz
Original assignee: Technische Universitaet "Otto Von Guericke",De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Koerper, bei denen die Temperatur innerhalb definierten Materialzonen erfaszt werden soll. Diese Einrichtung kann besonders vorteilhaft zur Temperaturmessung an Walzgut, Schmelzen, Guszteilen u. ae. sowie an Werkstuecken, die einer elektrothermischen Behandlung unterworfen sind, angewendet werden. Die Einrichtung weist eine Induktionserregerspule, eine Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz, eine Impedanzmeszeinheit, eine Werkstoffdatenbank sowie eine Auswerteeinheit auf, wobei die Induktionserregerspule magnetisch mit dem elektrisch leitenden Koerper gekoppelt und an die Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz angeschlossen ist, waehrend die Impedanzmeszeinheit eingangsseitig mit der Induktionserregerspule und ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden ist, an die auch der Ausgang der Werkstoffdatenbank angeschlossen ist. Vorteile der Erfindung: Es ist moeglich, auf einfache Weise innerhalb definierter Materialzonen elektrisch leitender Werkstoffe Temperaturmessungen im Hoch- und Niedertemperaturbereich durchzufuehren.{Temperatur; Koerper, elektrisch leitend; Materialzone; Skin-Effekt; Schmelze; Walzgut; Induktionserregerspule; Temperaturmessung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, bei denen die Temperatur innerhalb definierter Materialzonen erfaßt werden soll. Diese Einrichtung kann besonders vorteilhaft zur Temperaturmessung an Walzgut, Schmelzen, Gußteilen u.a. sowie an Werkstücken, die einer elektrothermischen Behandlung unterworfen sind, angewendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Sowohl in der Industrie als auch in Forschungslaboratorien werden vielfältige Metoden zur Temperaturmessung an elektrisch leitenden Materialien angewendet. Diese unterteilen sich in berührungsgebundene und berührungslose Meßverfahren. Zu letzteren gehören z.B. die Strahlungspyrometrie und die Infrarotthermographie.

Der industrielle Fertigungsprozeß verlangt häufig die berührungslose Temperaturmessung. Üblicherweise wird dabei von der Erfassung der Oberflächentemperatur ausgegangen, die zwar z. B. durch Materialvemnreinigungen fehlerhaft sein kann, an sich jedoch problemlos ist. Werden aber Aussagen zur Temperatur definierter tieferliegender Materialschichten gefordert, ist man gewöhnlich auf Schätzungen oder Näherungen mit großen Ungenauigkeiten angewiesen, so daß der Einsatzbereich solcher Lösungen begrenzt ist.

Auch den in größerer Anzahl in neuerer Zeit zum Schutzrechtserwerb (z. B. DD-PS 230440 u.a.) gebrachten Lösungen zur optoelektronischen Temperaturmessung haftet der Nachteil an, daß mit ihnen keineTemperaturerfassung innerhalb definierter Materialtiefen möglich ist.

Weiterhin sind in der Patentliteratur Temperaturmeßverfahren angegeben, die auf der Änderung magnetischer Eigenschaften der Werkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur beruhen (s. z. B. DE-OSen 3133063 und 3241009). Darüber hinausgehend ist in der DE-OS 2300167 ein Temperaturmeßverfahren vorgeschlagen worden, bei dem aus dem Vergleich zweier identischer Magnetisierungsanordnungen - eine davon mit dem Meßgut versehen - der Übergang in die magnetische Sättigung des Meßgutes in seiner Temperaturabhängigkeit erfaßt wird. Nachteilig bei dieser Methode sind einerseits die Beschränkung des Anwendungsgebietes auf ferromagnetische Körper und damit gleichzeitig des Meßbereiches auf Temperaturen unterhalb der Curietemperatur und andererseits der notwendige erhebliche technische Aufwand zur Magnetisierung der beiden Vergleichsanordnungen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper zu schaffen, die mit vertretbarem technischem Aufwand innerhalb eines erweiterten Anwendungsbereiches realisierbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung eier Temperatur elektrisch leitender Körper zu entwickeln, mit der innerhalb definierter Materialbereiche elektrisch leitender Körper die Temperatur erfaßt werden kann. Die Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper soll dabei aus wenigen einfachen Baugruppen bestehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, die bekanntermaßen eine magnetisch mit den elektrisch leitenden Körpern verkoppelte Induktionserregerspule aufweist, weiterhin eine Wechselspannunysquelle mit einstellbarer Frequenz, eine Einrichtung zur Erfassung der Impedanz, eine Werkstoffdatenbank sowie eine Auswerteeinheit besitzt.

Dabei ist die Induktionserregerspule magnetisch mit dem elektrisch leitenden Körper, dessen Temperatur zu erfassen ist, gekoppelt und an die Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz angeschlossen.

Außerdem ist die Impedanzmeßeinheit eingangsseitig mit der Induktionserregerspule und ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden, an die auch der Ausgang der Werkstoffdatenbank angeschlossen ist.

Schließlich besitzt die Auswerteeinheit weitere Eingänge zur Erfassung der Frequenz der Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz, geometrischer Parameter der Induktionserrogerspule sowie des elektrisch leitenden Körpers.

Im folgenden sollen die wesentlichen Zusammenhänge der Wirkungsweise der Erfindung erläutert werden:

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ausnutzung des Skin-Effektes in einer nach dem Induktionsprinzip funktionierenden Temperaurmeßeinrichtung so zu realisieren, daß die Temperaturen tiefenmäßig definierter Materialbereiche weitgehend exakt ermittelt werden können.

Ausgangspunkt ist die bekannte Beziehung für die elektromagnetische Eindringtiefe s:

PO)

π · μθ · pr(&) · f

mit ρ(θ) temperaturabhängigerspezifischerWiderstand π 3,14...

μθ absolute Permeabilität μΓ(θ) temperaturabhängige relative Permeabilität f Frequenz

Da nach dieser Beziehung sich einerseits die Eindringtiefe s als temperaturabhängige Eindringtiefe s(d) darstellt und andererseits die Eindringtiefe eine bestimmende Größe für die elektrische Impedanz ist, ergibt sich, daß diese in ihrer komplexen Größe eine Maßzahl für die Temperatur im Bereich der Eindringtiefe liefert.

Im Zusammenhang mit den in der Werkstoffdatenbank gespeicheiten Daten, den geometrischen Parametern der Anordnung Erregerspule- elektrisch leitender Körper als Meßgut, der gewählten Frequenz der Wechselspannungsquelle kann also die erfindungsgemäße Anordnung durch Impedanzmessung der o.g. induktiven Koppelanordnung zur Temperaturmessung in definierten Tiefenzonen genutzt werden.

Die Verknüpfung der genannten Daten zu einer Temperaturangabe geschieht zweckmäßigerweise in einer Auswerteeinheit, die einen Rechner enthält.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in Folgendem:

Es ist möglich, innerhalb definierter Materialzonen elektrisch leitender Werkstoffe Temperaturmessungen durchzuführen. Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt dabei sowohl den Nieder- als auch den Hochtemperaturbereich.

Die Realisierung der Erfindung ist mit wenigen relativ einfachen elektrischen und elektronischen Baugruppen möglich-Montage und Fertigung empfindlicher und komplizierter Systeme, wie z. B. bei der optischen Temperaturerfassung, entfalten. Die Erfindung ist im robust und unempfindlich gegenüber Betriebseinflüssen wie Staub und Schmutz u. ä.

Ausführungsbeisplel

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1: ein Blockschema der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, Fig. 2: ein Beispiel für Dateninhalte der Werkstoffdatenbank und

Fig.3: ein& Prinzipskizze der induktiven Koppelanordnung Erregerspule- Meßgut.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper folgende Elemente auf:

Shunt 1, Widerstand 2. !nduktionserregerspul6 3, Kondensator 4, Induktivität 5, Widerstand 6, Prozeßmodell 7, Mikrorechner 8, Werkstoffdatenbank 9, Meßanordnung 10.

Die Meßanordnung 10, gebildet durch die Induktionserregerspule 3 und das mit ihr induktiv gekoppelte Meßgut, wird aus einer Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz derart gespeist, daß an die Induktionserregerspule 3 eine Wechselspannung u 1 mit einer Frequenz f 1 angelegt wird. Die Induktionserregerspule 3 mit ihrem ohmschen Widerstand 2 induziert im Meßgut, repräsentiert durch seine Induktivität 5 und seinen ohmschen Widerstand 6, Wirbelströme, die der Beziehung der Eindringtiefe s, wie sie vorstehend erläutert wurde, gehorchen.

Über den Shunt 1 wird der Wert des Meßstromes Ix erfaßt, während eine Meßspannung Ux über der Induktionserregerspule 3 und dem Kondensator 4, der den induktiven Einfluß des Koppelspaltes zwischen Induktionserregerspule 3 und Induktivität 5 des Meßgutes kompensiert, ermittelt wird.

Als Auswerteeinheit dient der Mikrorechner 8, der die Impedanz der Meßanordnung 10 aus der Meßspannung Ux und dem Meßstrom ix ermittelt und die Tomperatur innerhalb einer vorgegebenen Materialtiefe des Meßgutes errechnet. Dabei ist in die Auswerteeinheit ein Prozeßmodell 7 einbezogen, das die Werte der Frequenz f 1, des Fensterquerschnittes A1 der Induktionserregerspule 3, deren Oberflächenradius r und den Que schnitt Am des Meßgutes enthält.

Werkstoffkennwerte zur Kennzeichnung des Meßgutes enthält die Werkstoffdatenbank 9, auf die der Mikrorechner 8 ebenfalls Zugriff hat.

Fig. 2 zeigt für das Beispiel eines Stahls mit 1 % Kohlenstoff den Dateninhalt der Werkstoffdatenbank 9. Die Iterationsvariable ist die Temperatur θ. Bei Übereinstimmung des durch Iteration gefundenen Impedanzwertes rnit der gemessenen Impedanz des Meßgutes ist der iterierte Temperaturwert θ identisch mit der durchschnittlichen Meßguttemperatur in dem durch die Wahl der Frequenz f1 festgelegten Eindringtiefenbereich.

In der Prinzipskizze gem. Fig.3 wird gezeigt, wie an einem bewegten Strang 11 eines elektrisch leitenden Materials, z. B. bei der Zuführung in ein Walzgerüst, die mittlere Temperatur innerhalb der durch die Eindringtiefe s gekennzeichneten Materialzone erfaßt werden kann. Der Strang 11 des Walzgutes durchläuft die Induktionserregerspule 3 mit dem freien Fensterquerschnitt A1.

Claims

Anordnung zur Messung der Temperatur elektrisch leitender Körper, eine mit den elektrisch leitenden Körpern magnetisch verkoppelte Induktionserregerspule enthaltend, gekennzeichnet dadurch, daß weiterhin eine Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz (f 1), eine Impedanzmeßeinheit, eine Werkstoffdatenbank (9) sowie eine Auswerteeinheit vorhanden sind, wobei die bereits genannte Induktionserregerspule (3) an die Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz (f 1) angeschlossen ist, während die Impedanzmeßeinheit eingangsseitig mit der Induktionserregerspule (3) und ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden ist, an die auch der Ausgang der Werkstoffdatenbank (9) angeschlossen ist und die A iswerteeinheit weitere Eingänge zur Erfassung der Frequenz der Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz und geometrischer Parameter der Induktionserregerspule (3) sowie der elektrisch leitenden Körper besitzt.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen