Vorrichtung zur kontaktlosen Temperaturmessung an drehbaren Maschinenteilen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Temperaturmessung an einem drehbaren Maschinenteil, insbesondere einer beheizten Rolle zum Warmverstrecken von synthetischen Fäden, Bändern oder Folien, mit einem im drehbaren Maschinenteil angeordneten Temperaturfühler und induktiver Kopplung zwischen dem Temperaturfühler und einer feststehenden Messanordnung.
Zur kontaktlosen Temperaturmessung mit induktiver Signalübertragung sind zwei Verfahren bekannt. Das erste Verfahren benutzt die Phasenverschiebung einer am drehbaren Maschinenteil angebrachten RC-Brücke mit einen temperaturabhängigen Widerstand. Dabei wird eine Wechselspannung bekannter Frequenz über einen Messkopf auf das rotierende Maschinenteil übertragen und die phasenverschobene Spannung der RC Brücke über einen zweiten Messkopf entnommen und einem Phasendiskriminator zum Vergleich zugeführt.
Die Differenz der Phasenwinkel nach Richtung und Grösse kann über einen entsprechenden Verstärker zur Regelung der Temperatur des drehbaren Maschinenteils benutzt werden. Der wesentliche Nachteil dieses Phasen vergleichsverfahrens besteht darin, dass eine Absolutmessung der Temperatur sehr schwierig und damit das Verfahren nur zum Regeln nicht aber zum Messen geeignet ist. Darüberhinaus ist auch die Verwendung von zwei getrennten Messköpfen recht aufwendig.
Beim zweiten Verfahren wird eine Wechselstrommessbrücke im drehbaren Maschinenteil benützt, deren einer Zweig ebenfalls einen Widerstandsmessfühler enthält. Die Übertragung erfolgt ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Verfahren. Nachteilig hierbei ist, dass eine Anderung des Luftspaltes zwischen dem feststehenden und dem drehbaren Teil des Übertragers wesentlich in das Messergebnis mit eingeht. Solche Luftspalt änderungen ergeben sich im Betrieb durch Verschleiss der Lager des drehbaren Maschinenteils. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen ist deshalb auch dieses Verfahren ungeeignet.
Darüberhinaus bereitet vielfach die Temperaturisolierung der ausser dem eigentlichen temperaturabhängigen Widerstand noch im drehbaren Maschinenteil untergebrachten Bauteile Schwierigkeiten, zumal wenn das Bauteil höheren Temperaturen, beispielsweise in der Grössenordnung von einigen hundert Grad Celsius ausgesetzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren, eine Temperaturmessvorrichtung zu schaffen, welche bei möglichst einfachem Aufbau auch über lange Betriebszeiten und bei hohen Temperaturen eine einwandfreie Messung gewährleistet, wobei das Messergebnis weder durch mechanischen Verschleiss der Lager oder sonstiger rotierenden Maschinenteile noch durch die Wärmeeinwirkung auf nicht den eigentlichen Messfühler bildende Teile der Messanordnung verfälscht wird.
Die gestellte Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass am drehbaren Maschinenteil ein Spulenträger aus nichtmagnetischem Material gleichachsig befestigt ist, durch den Luftspalt wenigstens eines bis auf den Luftspalt geschlossenen feststehenden Kernes berührungsfrei hindurchragt und an seinem in das Fenster des Kernes hineinragenden Ende gleichachsig eine Spule trägt, an welche ein als Temperaturfühler dienender temperaturabhängiger Widerstand angeschlossen ist, und dass auf dem Kern wenigstens eine feststehende Spule angeordnet und derart an die feststehende, wechselstromgespeiste Messanordnung angeschlossen ist, dass der über die Spulen induktiv an die Messanordnung angekoppelte temperaturempfindliche Widerstand die Impedanz eines Zweiges der Messanordnung beeinflusst.
Am drehbaren Maschinenteil ist also nicht eine ganze Messbrücke sondern lediglich der als Temperaturfühler dienende temperaturabhängige Widerstand angebracht, was den Vorteil äusserst geringen Raumbedarfs hat und die Möglichkeit bietet, den Temperaturfühler möglichst dicht an derjenigen Stelle anzuordnen, deren Temperatur zu messen bzw. zu überwachen ist. Der Temperaturfühler ist Teil einer Messanordnung, deren übrige Bauteile feststehend angeordnet und damit auch nicht den Temperaturschwankungen des drehbaren Maschinenteils unterworfen sind. Der über die drehbare und die feststehende Spule an die Messanordnung induktiv angekoppelte temperaturempfindliche Widerstand beeinflusst die Impedanz eines Zweiges dieser Messanordnung.
Dies erfordert aber, dass irgendwelche Luftspaltänderungen im Übertrager keinen Einfluss auf die Impedanz des den temperaturempfindlichen Widerstand enthaltenden Messzweiges haben dürfen. Hierzu dient die Massnahme, dass der Träger für die drehbare Spule aus nichtmagnetischem Material besteht und durch den Luftspalt des ortsfesten Kernes berührungsfrei hindurchragt und an seinem in das Fenster des Kernes hineinragenden Ende gleichachsig die drehbare Spule trägt. Da keinerlei magnetische Teile bewegt werden, ergeben sich auch bei Verschleisserscheinungen der Lager keinerlei Änderungen der Impedanz, denn der Magnetkreis behält seine Eigenwerte unverändert bei.
Vorzugsweise ist der Spulenträger scheibenförmig ausgebildet und trägt an seinem in das Fenster des Kernes hineinragenden äusseren Rand die drehbare Spule. Verwendet man die Messvorrichtung für die Temperaturmessung an beheizten Rollen, die üblicherweise von starken Elektromotoren angetrieben werden, so empfiehlt es sich, um den Einfluss äusserer Magnetfelder auf die Messanordnung -abzuschirmen, diese in an sich bekannter Weise völlig gekapselt auszubilden, indem man als Kern einen Topf- oder Schalenkern verwendet, welcher die Spulen nach aussen völlig umschliesst.
Die Verwendung eines solchen Schalenkerns für die Signalübertragung zwischen einer feststehenden und einer beweglichen Spule ist zwar bereits von Goniometern für Nachlaufpeiler her bekannt (deutsches Patent 1 218 563), dient dort aber nicht zur induktiven Ankopplung einer von einer Messgrösse beeinflussten Impedanz an eine feststehende Messanordnung, sondern zur Üebrtragung der Peilspannung vom Rotor auf den Stator des Goniometers.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Figur 1 in achsparalleler Ansicht eine erste Ausführungsform der induktiven Koppelvorrichtung zwischen dem drehbaren Maschinenteil und der ortsfesten Messanordnung und
Figur 2 einen achsparallelen Schnitt hierzu.
Figur 3 zeigt eine Kopplungsvorrichtung mit Schalenkern und in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Spulen,
Figur 3a eine Anordnung ebenfalls mit Schalenkern aber mit radial ineinander angeordneten Spulen und
Figur 4 eine Anordnung mit Topfkern und Jochplatte.
Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Schaltungsbeispiele für die feststehende Mess anordnung.
Die Figuren 7 und 8 zeigen der bevorzugten Ausführungsform gemäss Figur 3a ähnliche Ausgestaltungen der Koppelvorrichtung, wobei zusätzliche Massnahmen zum Ausgleich radialen und achsialen Spiels des drehbaren Maschinenteils vorgesehen sind.
In den Ausführungsbeispielen sitzt der Spulenträger für die drehbare Spule jeweils auf der als Hohlwelle ausgestalteten Antriebswelle einer elektrisch beheizbaren Rolle, wie sie in der Kunstfasertechnik zum Warmverstrecken synthetischer Fäden, Bänder und Folien eingesetzt wird. Die Rolle wird von einer feststehenden Heizvorrichtung, entweder einem Widerstandsheizer oder einer Induktionsheizvorrichtun g, welche koaxial innerhalb des Rollenmantels angeordnet und von der Antriebswelle für die Rolle durchsetzt ist, aufgeheizt.
Über den Aussenmantel der Rolle oder Walze läuft das zu behandelnde Material und umschlingt die Rolle gegebenenfalls mehrfach. An einer geeigneten Stelle auf der Innenseite des Rolienmantels ist der temperaturempfindliche Widerstand angebracht und über durch den Hohlraum der Antriebswelle geführte Zuleitungen mit der auf der Antriebswelle sitzenden drehbaren Spule elektrisch verbunden. In den Figuren 1 bis 4, 7 und 8 ist von dem jeweils aus einer Rolle und einer Antriebswelle bestehenden drehbaren Maschinenteil jeweils nur der die drehbare Spule tragende Teil der Antriebswelle 21 dargestellt.
Gemäss der Figuren 1 und 2 ist diese Ausführungsform derart ausgebildet, dass der Spulenträger 1 schei- benförmig ausgebildet ist und im Bereich seines Eingriffes in den Luftspalt 2 des Eisenkernes 3 ein T-förmiges Querschnittsprofil aufweist, wobei auf dem Quersteg 4 die Spule 5 angeordnet ist und der Basissteg 6 den Luftspalt 2 des Eisenkernes 3 durchgreift. Diese Verhältnisse werden insbesondere aus Fig. 2 deutlich. Am feststehenden Eisenkern 3 ist ferner die mit dem Kern feststehende Spule 5' angeordnet, die mit ihren Leitungen 5" mit einer noch zu beschreibenden Messchaltung in Verbindung steht. Diese Ausführungsform der Vorrichtung kann mit ein oder zwei Eisenkernen 3 und entsprechenden Spulen 5' ausgestattet werden.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist nach dem gleichen Prinzip aufgebaut, unterscheidet sich aber von der beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass der Eisenkern als Topfkern 7, bestehend aus zwei gegenem- ander gesetzten Hälften 8, 8' mit jeweils E-förmigem Querschnitt, ausgebildet ist und dass der Spulenträger als im von den Mittelstegen 9, 9' begrenzten Luftspalt 10 drehbare Scheibe 11 ausgebildet ist, an der seitlich, den einen Mittelsteg 9' kontaktlos um greifend, die Messwertgeberspule 12 angeordnet ist, während die andere Spule 13, die mit der Messanordnung in Verbindung steht, den anderen Mittelsteg 9 des Topfkernes 7 umgreift.
Zumindest der Mittelsteg 9' der Topfkernhälfte 8' ist dabei mit einer Durchbrechung für den Durchgriff der Welle 21 versehen, an deren Ende die Scheibe 11 angeordnet ist. Die Anschlüsse der feststehenden Spule 13 zur Messchaltung sind in diesem Falle nicht dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 3a stellt lediglich eine konstruktive Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 3 dar. Entsprechende Teile sind deshalb mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 4 verdeut licht, gemäss der der Eisenkern 14 als E-Kern mit einer Abdeckung 15 ausgebildet ist. Der Spulenträger ist hierbei als im vom Mittelsteg 17 des E-Kernes und dem Joch 15 begrenzten Luftspalt 18 drehbar angeordnete Scheibe 16 ausgebildet, an der seitlich, den Mittelsteg 17 des E-Kernes kontaktlos umgreifend, die Messwertgeberspule 19 sitzt, während die andere Spule 20, die mit der Messchaltung in Verbindung steht, den Mittelsteg 17 an seiner Basis umgreift. Die Abdeckung ist mit einer Durchbrechung für den Durchgriff der Welle 21 versehen.
Je nach Benutzung von ein oder zwei Eisenkernen (siehe insbesondere Fig. 1) sind die Messchaltungsanordnungen gemäss der Figuren 5 und 6 aufgebaut, wobei die Messanordnung gemäss Fig. 5 bei einem Eisenkern beispielsweise gemäss Fig. 3 zur Anwendung kommt und die gemäss Fig. 6 bei zwei Eisenkernen gemäss Fig. 1. Abgesehen von der etwas anderen Ausbildung im Übertragungsbereich entsprechen sich die Schaltungen gemäss Fig. 5 und 6.
Die feststehende Spule kann bzw. die feststehenden Spulen können zum Beispiel in Reihe mit einem Mess übertrager 22 geschaltet sein, an dessen Sekundärwicklung sich ein Messgleichrichter 23 befindet. Über einen zweiten Übertrager 24 oder direkt vom Generator 25 gelangt eine Vergleichsspannung an den Vergleichsgleichrichter 26. Der Generator 25, der die gesamte Messanordnung speist, ist als Niederfrequenzgenerator ausgebildet. Wenn sich beispielsweise die Temperatur am rotierenden Teil, wie Rollenheizer od. dgl., ändert, so ändert sich der Widerstand des Messfühlers bzw.
Messwertgebers 27 und damit über die rotierenden Spulen die Impedanz der feststehenden Spule.
Infolgedessen ändern sich Strom und Spannung am Messübertrager 22. Die Gleichspannung des Messgleichrichters 23 wird nun mit der des Vergleichsgleichrichters 26 verglichen und ergibt hierdurch die eigentliche Messpannung an den Leitungsabgängen 28, wobei nach Eichung in Abhängigkeit vom Widerstand des Messwertgebers 27 diese Spannung nun sowohl zur direkten Messung der Temperatur, als auch gleichzeitig zur Regelung benutzt werden kann.
Werden geringere Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt so kann die vom Vergleichsgleichrichter 23 abgegebene Spannung auch ohne Verwendung einer Vergleichsspannung (Wegfall der Elemente 24, 26) direkt verwendet werden.
Mit Rücksicht darauf, dass Lagerspiele der Antriebsachse bzw. -Welle auftreten können, die grösser sind als es die konstruktiven Abmessungen des Übertra- gers erlauben, kann ein Zwischenlager bzw. eigenes Lager zur Aufnahme des Rotors vorgesehen werden. In diesem Falle wird der feststehende Teil so gehaltert, dass er axial und radial gemeinsam mit dem Rotor den gegebenenfalls auftretenden Verlagerungen der
Antriebsachse bzw. -Welle folgen kann. Zwei Ausfüh rungsbeispiele einer solchen Lagerzuordnung sind in den
Figuren 7 und 8 verdeutlicht.
Im Fall der Fig. 7 sitzt der Spulenträger 31 fest auf der Welle 21, während das magnetische System 35 in
Lagern 33 mit der Welle bzw. Achse axial verschieblich sitzt, wobei die in elektrischer und mechanischer Hin sicht gefährdungsfreie Zuordnung zum Spulenträger 31 durch Mitnahme über Lager 33 erfolgt, so dass das magnetische System 35 etwa im Laufe der Zeit auftre tende Spiele der Welle 21 mitmacht.
Das gleiche Prinzip ist auch bei der Ausführungsform gemäss Fig. 8 verwirklicht, bei der jedoch das magnetische System 35 fest mit einem stehenden Maschinenteil verbunden ist, während der Spulenträger 31 beispielsweise mit Keilen bzw. Nuten gesichert, der Welle 21 axial verschieblich und gegebenenfalls mit radialem Spiel zugeordnet ist, wobei die Lager 33 die Kopplung des feststehenden magnetischen Systems 35 mit dem Spulenträger 31 bewirkt.
Für die Berücksichtigung etwa auftretenden radialen Spieles können entsprechende Lagermöglichkeiten zur Anwendung kommen.
Die neuartige Zuordnung der Spulenträger bei allen beschriebenen Ausführungsformen gewährleistet eine Konstanz des Luftspaltes, und, bedingt durch diese Konstanz und die Kopplung des Übertragers, sowie die einfache Ausführung der Messchaltung, mit relativ geringem Aufwand eine hohe Genauigkeit der Messwertübertragung.