DE2614193A1

DE2614193A1 - Zweistufige temperatursteuerung fuer induktionsheizvorrichtungen

Info

Publication number: DE2614193A1
Application number: DE19762614193
Authority: DE
Inventors: Eugene Mittelmann
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1975-04-07
Filing date: 1976-04-02
Publication date: 1976-10-21
Also published as: SE414107B; JPS51123934A; AU1272476A; US4032740A; IT1063856B; FR2307432B1; FR2307432A1; ES446744A1; BR7602056A; GB1549235A; IE42974B1; CA1053338A; IE42974L; AU506299B2; JPS615270B2; SE7604025L

Description

853-24

PATENTANWÄLTE

DH. ing. H. NEGENDANK <-i073) . DIP1.-ING. H. HATJCK · DIPL.-PHYS. W. SCHMITZ . E. GKAALFS · dipping. W. WEHNERT · dipl.-phys. W. CARSTENS

HAMBURG-MÜNCHEN

9 R 1 / IQO

ZUSTELirNGSANSCHHIFT: 20OO HAMBURG 36 · NEUER "WAIX TBlEFON (04O) 36 74 28 UND 36 4X15

HAMBVRG

Illinois Tool Works Inc. eooo München 2 · mozartsth.

TELEFON (089) 5 38 05 86 8501 West Higgins Road tkbgh. negedapatent München

Chicago, 111. 60631/USA Hamburg, ₂6. März 1976

Zweistufige Temperatursteuerung für Induktionsheizvorrj chtungen

In neuerer Zeit wurden viele Versuche unternomm_en, eine neue Technologie zu entwickeln, um verschiedene mechanische Elemente an Trägern unter Verwendung von Klebstoffen anstatt von mechanischen Befestigungsmitteln anzubringen, in dieser Technologie wurden zwei Hauptklassen von Klebstoffen verwendet, nämlich auf Druck ansprechende und wärmeaktivierte Klebstoffe. In dem Fall, daß wärmeaktivierte Klebstoffe verwendet werden, ist die Verwendung von Induktionsheizungstechniken als Energiequelle für die Aktivierung des Klebstoffs die logische Folge, wenn wenigstens eines der zu befestigenden Elemente ferromagnetische Eigenschaften besitzt. Der Hauptvorteil der Induktionsheizungstechniken gegenüber den sonst üblichen Erwärmungsmethoden ist die Fähigkeit, die Temperatur metallischer Flächen in relativ kurzer Zeit auf einen hohen Grad zu bringen. Gemäß der Tatsache, daß die Wärme in dem zu erwärmenden Körper

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von

erzeugt wird und nicht auf einem WärmeübergangVder Wärmequelle zu dem Körper beruht, ist dieses Verfahren nicht mit einer generellen Verzögerung, die andere Methoden kennzeichnet, verbunden. Wegen der kurzen erzielten Erwärmungszeiten ist es von äußerster Wichtigkeit, Techniken zu schaffen, die eine genaue Steuerung der Endtemperatur erlauben, entweder, um den Erwärmungsprozeß in dem Augenblick, in dem die Endtemperatur erreicht wurde, zu beenden, oder aber um die gewünschte Endtemperatur auf einer konstanten Höhe für einen willkürlich gewählten Zeitraum zu halten.

Ein spezielles Problem in dieser Hinsicht tritt auf, wenn das ferromagnetische Material, an dem die Teile befestigt werden müssen, mit einer nichtleitenden und nichtferromagnetischen Schicht, wie zum Beispiel einer Farbschicht oder einem ander ar. überzug, bedeckt ist. Alle diese überzüge besitzen eine obere Temperaturgrenze, die nicht überschritten werden kann, ohne die Schicht schwer zu beschädigen. Gleichzeitig ist es wünschenswert, die Temperatur der Schicht genügend hoch zu halten, um den Klebstoff für einen bestimmten Zeitraum zu aktivieren, um eine genügend feste Verbindung zu erhalten. Jedoch ist nur die Oberflächentemperatur des Überzugs und nicht der Temperatur der Zwischenfläche zwischen dem Überzug und dem Stück ferromagnetisehen Materials für Meß- und Steuerungszwecke zugänglich. Bekannte Verfahren, die zur Steuerung der Endtemperatur einer Fläche verwendet

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wurden, schlossen das ein, was üblicherweise in der Steuertechnik als "proportionales Steuerverfahren" bezeichnet wird, das heißt, daß die Energiezufuhr zu dem Induktionsheizungsgenerator als eine Funktion der Temperaturanstiegsrate reduziert wird, oder daß das Zweistufen-Verfahren, speziell
in Verbindung mit Hochenergie-Röhrengeneratoren, Verwendung findet, das magnetische Verstärker oder ähnliche Techniken verwendet, um das Hochspannungs-Gleichrichtungssystem, das die Oszillatorröhre mit Energie versorgt, zu trennen. Es
wurden auch verschiedene Verfahren in der Industrie entwickelt, in denen Festkörpergeneratoren verwendet wurden
und eine Steuerung durch die Verwendung der Energiezufuhr
zu dem Werkstück erreicht wurde»unter Benutzung von die eine Modulation der Pulsweite oder ähnliche Verfahren verwenden.

In einem Beispiel eines bekannten Verfahrens wird
die Steueriaig durch einen Wechsel der Wiederholungsrate der Impulse mit gleicher Energiemenge erzielt.

Das Hauptproblem, das mit dem bekannten Verfahren verknüpft ist, ist in der Schwierigkeit, ein Hinausgehen über die gewünschte Temperaturhöhe zu vermeiden, zu sehen, oder darin, daß die Schaltung, mit deren Hilfe dieses Ziel erreicht wird, zu komplex ist. In jedem Fall ist es offensichtlich notwendig, die Steuerungseinstellungen durch verhältnismäßig umfangreiche experimentelle Methoden festzusetzen.

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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein U-förmiger Induktanzkern als eine Einheit einstückig mit einem fiberoptischen Fühlelement ausgeführt, und diese Kerneinheit ist dann betriebsmäßig mit einem Parallel- oder Reihenwechsel richter verbunden.

Die beschriebene Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Erwärmung eines Werkstückes aus ferromagnetischem Material durch Induktion, das mit einer Farbschicht oder einem anderen nichtleitenden Material beschichtet ist, wobei eine kritische Temperatur, die mit der Zerstörung der Farbschicht in Zusammenhang steht, nicht überschritten wird. Diese Erwärmung wird durch eine Betrachtung der verschiedenen Wärmeraten, die sowohl auf die Farbschicht als aucii auf das ferromagnetische Material bezogen werden können, erreicht, weiterhin durch ein übe.vwachen der Flächentemperatur der Farbschicht, durch das Stromabschalten, um den Energiezufluß zu dem System auszuschalten, wenn die erfaßte Temperatur an der Farbschicht niedriger als die gewünschte Temperatur ist und auch eine Zwischenflächentemperatur anzeigt, die unter der Maximaltemperatur liegt. Die erste, vorbestimmte Temperatur wird auf einer konstanten Höhe für einen festen Zeitraum gehalten, wonach dann Strom wieder zugeführt wird, um die Temperatur sowohl der Farbe als auch des ferromagnetischen Materials derart zu erhöhen, daß der Temperaturunterschied zwischen beiden sehr klein wird _un^ somit dazu dient, die Möglichkeiten einer zu starken Erwärmung

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auszuschalten.

Die Schaltung, mit der diese Erwärmungsmethode verwirklicht wird, enthält im wesentlichen einen infrarotempfindlichen Detektor, ein Vergleichelement mit einem Operationsverstärker, das sowohl den Ausgang vom Infrarotdetektor als auch den Ausgang von einer einstellbaren Referenzquelle, die in Temperaturtermen kalibriert ist, aufnimmt. Die einstellbare Referenzquelle ist im wesentlichen eine Spannungsteilungschaltung, die aus einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird, die von einer festgesetzten Zeitgeberschaltung abhängig ist. Die Betriebsweise der Zeitgebeföchaltung in Verbindung mit der Referenzquelle ist derart, daß der Strom bei einer vorbestimmten Temperatur für eine gegebene Zeitdauer ausgeschaltet wird, nach der sich die an dem Komparator von der Referenzquelle anliegende Spannung ändert und direkt jetzt auf eine etwas höheren Temperaturstufe bezogen ist, die die gewünschte Temperatur darstellt. Eine derartige Schaltung ermöglicht somit eine Verweildauer, die es danach gestattet, die Flächenschicht auf ihre gewünschte Temperatur derart zu erwärmen, daß der Temperaturunterschied zwischen der Farbschicht und dem ferromagnetischen Material stark reduziert wird.

Weitere Aufgaben und Merkmale sowie ein volles Verständnis der Erfindung ergeben sich durch die folgende detaillierte Beschreibung, durch die Zeichnungen und die Ansprüche.

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Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht des Kernes mit dem fiberoptischen Fühlelement in einer Stellung, um ein Werkstück zu erhitzen, das mit einem nichtleitenden Material beschichtet ist.

Fig. 2 ist eine stark vergrößerte Schnittansicht eines mit einem farbartigen Material beschichteten Werkstückes.

Fig. 3 ist eine vereinfachte Schaltung, die eine Ersatzschaltung mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften wie die Erwärmungseigenschaften des Werkstückabschnittes besitzt,

Fig. 4 ist eine Kurve, die das zeitliche Spannungsverhalten der Ersatzschaltung darstellt.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Zeit/Temperaturverhältnis, das während des Erwärmens durch das erfindungsgemäße Verfahren auftritt.

Fig. 6 ist eine schematische Schaltung im Blockdiagramm des erfindungsgemäßen zweistufigen Erwärmungssystems.

Fig. 7 ist eine detaillierte schematische Schaltungsdarstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen zweistufigen Temperatursteuerung.

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Fig. 8 ist eine detaillierte schematische Zeichnung einer weiteren Ausführung des einstellbaren Referenztemperaturabschnittes der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführung der Kerneinheit 10 zur Erwärmung gezeigt, die ein U-förmiges Kernelement 12 mit einer darum gewickelten Erregerspule 14 beinhaltet, die einen Strom darin induziert. Diese Spule 14 kann zum Beispiel direkt mit der Sekundärwindung eines Transformators eines parallelen Inverters, zum Beispiel eines Inverters des MacMurray-Typs verbunden werden. Ein Beispiel eines derartigen Kernes und einer Stromversorgung, die für die Zwecke dieser Erfindung geeignet sind, können aus dem US-Patent 3 816 690 vom 11.Juni 1974 entnommen werden. Wie zu erkennen ist, besitzt die Kerneinheit 10 integriert darin aufgenommen ein fiberoptisches Element, das durch die Verbindung des Kernes verläuft und durch eine Hallskonstruktion 18 in einer derartigen Stellung gehalten wird, daß das aufnehmende Außenstück des fiberoptischen Elementes auf das Werkstück, das erhitzt werden soll, in einer Stellung zwischen den Armen des Kernes blickt, um sogleich mit der Erwärmung des Werkstückes eine korrekte und gültige Temperaturmessung zu erhalten. Die ganze oben beschriebene Einheit kann danach auf übliche Weise verkleidet werden.

Das zu erwärmende Werkstück 20 umfaßt ein Stück ferromagne-

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tisches Material 24, das von einer Flächenschicht aus Farbe oder einem nichtleitenden, nichtferromagnetischen Material bedeckt ist. Dies ist die besondere Situation, mit der sich die vorliegende Erfindung in erster Linie befaßt. Die Befestigung einer Vorrichtung an dem Werkstück, und spezieller an der Oberfläche der Farbschicht 22, durch eine Bindeschicht aus einem durch Hitze aktivierbaren Klebstoff muß unter der Erkennung gewisser Probleme durchgeführt werden. Alle Beschichtungen wie die Schicht 22 besitzen eine obere Temperaturgrenze, die nicht überschritten werden kann, ohne die Beschichtung ernsthaft zu beschädigen. Alle durch Hitze aktivierbaren Klebstoffe besitzen eine gewisse Mindesttemperatur, die eingehalten werden muß, um eine Bindung zu bewirken. In dem hier beschriebenen Beispiel wird die Wärme zur Aktivierung des Klebstoffes durch den Kontakt mit dem Klebstoff auf der Oberfläche der Farbschicht 22 erhalten. Demgemäß muß die Oberfläche 22 auf eine gewisse Mindesttemperatur erhitzt werden. Es ist offensichtlich, daß die Temperatur, der die Schicht 22 unterworfen ist, notwendigerweise innerhalb eines engen Bereichs gesteuert werden muß.

Um die notwendige Aktivierungstemperatur in dem beschriebenen Beispiel zu erreichen, wird das Materialstück 24 durch Induktionsheizungstechniken, die einen Kern wie die Einheit 10 verwenden, erwärmt. Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, ist die Stärke des Stückes 24 im wesentlichen klein genug_f

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so daß die Annahme, daß die Temperatur auf der untersten Fläche S1 und der Zwischenfläche S2 dieselbe ist, die durch die Temperatur T₁ dargestellt ist, berechtigt ist, wenn dem Werkstück Energie aus einer Induktionsheizungsquel-Ie zugeführt wird. Obgleich die Wärme in dem Metallstück erzeugt wird, geht sie durch Wärmeleitung durch die Farbschicht 22 auf die durch Wärme aktivierbare Klebstoffschicht über. Da die Farbschicht einen bestimmten Wärmeleitungskoeffizienten besitzt, ist die Temperatur T₁ der Zwischenfläche S2 höher als die Temperatur T₂ an der Oberfläche der Farbe.

Eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur, wie die, die das fiberoptische Element 16 verwendet, besitzt offensichtlich lediglich Zugang zu der äußeren Fläche S3 der Farbe. Unter Umständen, unter denen es richtig ist, nicht eine bestimmte Temperatur zu überschreiten, um die Farbe nicht zu zerstören, ist es offensichtlich, daß die Steuerung dieser Temperaturgrenze durch Erfassung der Temperatur an der Außenfläche der Farbe ungenügend ist, da die Innenflächentemperatur T- beträchtlich höher sein kann. Ein Beispiel einer solchen Bedingung wäre, daß die Aktivierungstemperatur eines Klebstoffs 141°C (285°F) und die Zerstörungstemperatur der Farbe 149°C (300⁰F) betragen könnte. Eine Kontrolle der äußeren Farbfläche mit Hilfe eines Temperatursensors, daß sie nicht 149°C (300°F) überschreitet, wäre insofern nutzlos,.

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da die tatsächliche Temperatur T₁ der Zwischenfläche vielleicht 149°C (300°F) weit übersteigt. Tatsächliche Messungen des Wärmeleitungskoeffizienten bestimmter thermoplastischer Farben zeigen an, daß der Temperaturgradient zwischen der Zwischenfläche der Farbe und Metallschicht und der Außenfläche der Farbe 8 bis 11⁰C (15 bis 20°F) betragen kann.

Die oben beschriebenen Probleme der Temperaturerfassung können durch eine elektrische Ersatzschaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, dargestellt werden, die die Aufladung eines Kondensators C durch einen Widerstand R aus einer konstanten Spannungsquelle E₁ beschreibt. Wenn die Anfangsladung auf dem Kondensator C einer Spannung E_ entspricht, ist das Verhalten der Spannung E über dem Kondensator durch die Standardgleichuncj (1) gegeben, wobei Fig. 4 den charakteristischen Verlauf der Kurve zeigt.

E = E

(1 - e -*/*£) + E_o e " ^t/RC (1)

Unter Verwendung dieser Gleichung und Einsetzender Tempera turen anstatt der Spannung erhält man

T = T₁ (1 - e " ^t/RC) + T₀ e ~ ^t/RC (1A)

Die Gleichung (1i§ beschreibt genau die LeitungsVerhältnisse, wobei RC dieses Mai die thermische Zeitkonstante der nichtleitenden, nichtferromagnetischen Schicht 22 bezeichnet.

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Jedoch bezieht sich die Gleichung 1A auf die tatsächliche Erwärmungssituation, die oben beschrieben wurde, insofern, als die Temperatur T- an der Zwischenschicht selbst als Funktion der Zeit zunimmt, wenn kontinuierlich in konstanter Rate Energie absorbiert wird. Wir können jedoch annehmen, daß diese Zunahme in linearer Funktion zur Zeit erfolgt. T₁ steigt somit linear mit der Zeit von einem Anfangswert T . Falls zu Beginn des Erwärmungsprozesses ein thermisches Gleichgewicht bestand, steigt die Oberflächentemperatur T₂ der Schicht 22 von demselben Anfangswert an, jedoch in nichtlinearer Weise gemäß des endlichen Wertes der Zeitkonstante RC. Offensichtlich steigt T- in einer stärkeren Rate als 'S2 an, und es ist dieses Verhalten der Oberflächentemperatur T₂., das das Problem stellt, das durch diese Erfindung gelöst wird.

Es kann gezeigt werden, daß der Temperaturunterschied Δ T, der zu irgendeiner, in Sekunden gemessenen Zeit t existiert, durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann.

(e " ^t/RC - 1) (2)

RC bezeichnet wieder die thermische Zeitkonstante des Überzugs 22 und Ot bezeichnet die Temperaturanstiegsrate

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in Grad/Sek. für einen gegebenen konstanten Energieabsorbierungswert an der Zwischenfläche. Offensichtlich enthält die Gleichung (2) nicht den Ausdruck T der Anfangstemperatur T , was bedeutet, daß der Temperaturgradient zwischen der Zwischenfläche S₂ und der Außenfläche S₃ der Schicht zu einer beliebigen Zeit unabhängig von dem Wert der Anfangstemperatur ist. Es ist diese Beziehung., die zu der Ableitung der zweistufigen Temperatursteuerung der vorliegenden Erfindung führt.

Die Bezugnahme auf Fig. 5 erleichtert die Beschreibung der zweistufigen Temperatursteuerungsverfahren dieser Erfindung. Zum Zeitpunkt t sind die Zwischenflächentemperatur T₁ und die Temperatur T₃ an der Außenfläche S3 der Farbschicht im wesentlichen gleich und werden mit T bezeichnet. Bei Anbrin-

gung von Wärmeenergie durch die Induktionsvorrichtung zu dem Materialstück 24 steigen die beiden Temperaturen T^ und T₂ als Funktion der Zeit, wie in dieser Fig. 6 gezeigt ist. Eine bestimmte Temperaturhöhe ^T2(iy ^der Farbschicht 22 wird mit Hilfe von Mitteln wie ein infrarotempfindlicher Detektor, der über ein fiberoptisches Element verfügt, angezeigt. Diese bestimmte Temperatur T₀ _M. ist niederiger als die ge-

^UJ die wünschte Endtemperatur ^T2i2)' dieVAktivationstemperatur des Klebstoffes ist und die unter Verwendung der in Gleichung (2) ausgedrückten Beziehung bestimmt wird, wobei die Temperatur T₁/_max \ als die an der Zwischenfläche nicht zu

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überschreitende Temperatur und der unvermeidliche Temperaturunterschied Δ T in Betracht gezogen werden. Wenn die Temperatur T₂,-. erreicht ist, ist T-W₁) höher als T₂, jedoch kleiner als T₁, . , ein Steuerungssystem hält diese Temperatur T₂/*» für eine bestimmte Zeitdauer, zum Beispiel (t₂ - t-), konstant, um einen Ausgleich zwischen der Innenflächentemperatur T- und der Temperatur T₂ zu ermöglichen. Wenn der Ausgleich von T₂ und T- erreicht ist, wird wieder Energie in der gleichen Rate zugeführt, und damit fortgefahren, bis die Flächentemperatur T₂ die gewünschte endgültige Höhe ^₂ (2) erreicht hat und dort automatisch für eine zweite, bestimmte, zusätzliche Zeitdauer, zum Beispiel (t^ - t₃) überwacht wird. Während der Zeitdauer (t₂ - t-) kann der Strom abwechselnd ein-und ausgeschaltet werden, während die Zwischenflächentemperatur T- als Ergebnis der Auskühlung durch Strahlung und Wärmeleitung in umgebende Flächen, einschließlich in den nichtmetallischen Überzug 22, abfällt. Während dieses Zeitraumes, wenn der Strom im wesentlichen ausgeschaltet ist, leistet der Wärmefluß von der höher temperierten Zwischenfläche S2 den Ersatz für die durch die Kühlung erfolgende Abnahme der Flächentemperatur T₂.

Zum Zeitpunkt t₂ sind Oberflächen- und Zwischenflächen temperatur gleich, und es wird aufs neue Energie zugeführt, die die Zwischenflächentemperatur T- linear ansteigen läßt

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mit der gleichen Steigung wie in dem Zeitraum (t- - t ) .

Jedoch hat sich während des Zeitraumes (t₃ - t₂) die automatische Temperaturüberwachungssteuerung geändert, um es der Oberflächentemperatur zu ermöglichen, bis auf ihre vorgewählte Endhöhe T₂ ,~\ ^anzusteigen. Es ist wichtig festzuhalten, daß am Ende des Zeitraumes t* ^T »₂\ sehr viel kleiner als der Unterschied A T..., ist, der vorher bei der Temperatur ^T ₂{1) ^t>estan<a* wodurch eine weiche Steuerung ohne ein Übersteigen der Temperatur verbessert wird.

Fig. 6 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Einrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Zweistufen-Steuerungsverfahrens. Die gesamte Einheit kann von dem 60 Hz-Wechselstromnetz beschrieben werden. Ein Zweiweg-Gleichrichter versorgt den Wechselrichter 90 über einen gesteuerten -

Si ζ ti iumcjLeichrichter 86 zum Ein- und Ausschalten und eine Filterschaltung 88 mit Gleichstrom. Der Wechselrichter kann ein Parallelv/echselrichter sein, der an seinem Eingang durch einen 10 kHz Triggeroszillator 91 betrieben wird. Eine hufeisenförmige Induktorspule 12 ist mit dem Wechselrichter gekoppelt und beeinflußt direkt das Werkstück Die Oberflächentemperatur des Werkstückes wird durch ein fiberoptisches Element 16 überwacht. Die von dem fiberoptischen Element eingefangene Infrarotstrahlung wird auf einen infrarotempfindlichen Detektor 92 geführt, der eine

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photoempfindliche Vorrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, durch Infrarotstrahlung aktiviert zu werden, einen Zerhacker-Verstärker, der bei einer Frequenz von etwa 400 Hz betrieben wird, und einen Gleichrichter, dem ein Linearverstärker hinzugefügt ist» um den Ausgangsvert des Infrarotdetektors direkt proportional zu der von dem fiberoptischen Element 16 erfaßten Temperatur zu machen. Geeignete Analog-Digitalkonverter können hinzugefügt werden, um eine digitale Auslese 104 zur Temperaturüberwachung zu schaffen. Der analoge Ausgangswert des Infrarotdetektors 92 wird auf den einen Eingang einer Vergleichsschaltung 94 gegeben, die gewöhnlich aus einem Standardoperationsverstärker oder aus irgendeinem im Handel erhältlichen hochempfindlichen Spannungsvergleicher besteht. Der andere Eingang der Vergleichsschaltung ist mit dem Ausgang einer einstellbaren Referenztemperaturquelle 96 verbunden, die in von dem fiberoptischen Element überwachten Temperatureinheiten kalibriert ist. Wie oben erklärt wurde, ist es wünschenswert, daß man die Referenzspannung auf zwei verschiedene Höhen einstellen kann. Die erste Temperaturhöhe, zum Beispiel ^T2i1l^{f w}*^r<^ ^so ausgewählt, daß sie etwas unter der gewünschten Endoberflächentemperatur ^T2(2) lie^t· ^Um diesen Zweistufenbetrieb zu erreichen, ist die Referenzquelle auf zwei Ausgangsspannungsbereiche derart einstellbar, daß die einstellbare Spannung, die einer gegebenen Stellung des Schleifkontaktes eines Potentiometers entspricht, immer ein gewisser, vorbestimmter

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Bruchteil bei Betrieb in dem ersten Bereich ist, der der unteren Temperatur ^τ ₂(ΐ) entspricht, und daß dann dieselbe Schleiferstellung einer höheren Temperatur entspricht, die der gewünschten Endtemperatur T-/^) entspricht. Eine Schaltvorrichtung 98 erlaubt den Wechsel der Referenzspannung. Dies wird durch einen Ausgangspuls erreicht, der von dem Ausgang der Vergleichsschaltung 94 bezogen wird, wenn die erste Temperatur erreicht wurde« Wenn der Infrarotdetektor die erste Temperatur mißt, betätigt der Ausgangspuls der Vergleichsschaltung 94 die Schaltvorrichtung 98, und ein ähnlicher Puls gelangt an die Zeitgeberschaltung 100, die es der Temperatur ermöglicht, auf der ersten Höhe, wie zum Beispiel ^T2(1)^f ^^{r e}*^ne Zeitdauer gehalten zu werden, die durch die Einstellung der Zeitgeberschaltung gewählt wird, zum Beispiel (t2 - t-). Wenn einmal die Schaltvorrichtung sich in der Stellung befindet, daß die Ausgangsspannung der Referenztemperaturquelle 96 der höheren Endtemperatur entspricht, erzeugt die Vergleichsschaltung noch einmal einen Puls, wenn die Endtemperatur erreicht ist. Während der gewünschten Verweilzeiten, zum Beispiel (t2 - t-) und (t₄ - t₃) wird die Temperatur des Werkstückes durch eine Ein-Aus-Regelung des "Wech.selrich.terstromes mit Hilfe eines an den gesteuerten Ein-AusTSiziliumgleichrichter angelegten geeigneten Signals konstant gehalten. Das wird dadurch erreicht, daß eine Relaisschaltung 66 durch die Impulse eines AND-Gatters 84 betrieben wird. Das AND-Gatter

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arbeitet derart, daß die Relaisschaltung 66 nur während der Dauer der Zeitzyklen einer der beiden Zeitgeberschaltungen 100 oder 102 und auch bei Aufnahme eines geeigneten Pulses von der Vergleichsschaltung 94 betrieben werden kann. Wenn die Relaisschaltung geschlossen wird, wird eine in die Relaisschaltung eingeschlossene Gleichstromquelle in Betrieb gesetzt und ein Gleichstromtriggergatesignal an das Gate des gesteuerten Sili2d.unigleichrich.ters oder "gyristors 86 zum Ein- und Ausschalten geliefert, der in der Nullschaltweise betrieben wird. Jedesmal wenn die Temperatur des Werkstückes 20 derart ist, daß sie ein Ausgangssignal an den Infrarotdetektor liefert, das unter der Ausgangsspannung der Referenzquelle liegt, wird die Relaisschaltung 66 in Betrieb gesetzt, um eine positive Gate-Gleichspannung an den gesteuerten Siliziumgleichrichters 86 durch eine Energieversorgung des Filters 88 und des Wechselrichters 90 zu liefern. Sobald die bestimmte Temperatur erreicht ist, invertiert das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 94, und die Relaxsschaltung 66 wird derart betrieben, daß sie das Gate-Signal von dem Ein-Aus-%r is tor 86 wegnimmt und dadurch die Energieversorgung des Wechselrichters unterbricht. Der gesamte Betrieb wird durch das Niederdrücken des Startknopfes 81 gestartet, wobei ein Kondensator 80 entladen wird und so eine Triggerquelle für den Triggerpuls und die Kommutierschaltung 82, genauer für einen der beiden Thyristoren in der Kammutierschaltung,liefert. Der Ausgang eines ersten

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gesteuerten Gleichrichters oder Thyristors in der Kommutierschaltung liefert eines der Signale zur Aufrechterhaltung des AND-Gatters. Sobald die von der Zeitgeberschaltung 102 gesetzte Zeit zu Ende ist, liefert die Zeitgeberschaltung ein. Ausschaltsignal zu einem zweiten Tjyristor in der Kommutierschaltung, wobei das Signal zur Aufrechterhaltung an dem AND-Gatter und zugleich das Signal durch die Relaisschaltung an dem Ein-Aus-3fyristor abgeschaltet wird und somit den Betrieb beendet.

In Figur 7 wird jetzt die einstellbare Referenztemperaturquellenschaltung und die damit verbundene Schaltung, die in dem Blockdiagramm von Fig. 6 beschrieben wurde, genauer ausgeführt. Für die Zwecke dieser Erfindung ist es nicht notwendig, die Vorrichtungen für das AMD-Gatter 84, den Wechselrichter 90_p die Fergleichsschaltung 94 und den infrarot-empfindlichen Detektor 92 genau zu beschreiben, da der spezielle Aufbau dieser Schaltungen bekannt ist und kein wichtiges Merkiaal dieser Erfindung bildet« Das spaniztangsteilstie Hetzwerk oder die einstellbare Referenztemperatarquelle S6 besteht aus den Widerständen 5β und 62. Der Widerstand 62 kann, verändert werden _s zum Beispiel durch

ein Prazisionspotentioffieter 61„ Dieses Potentiometer liefert die gewünschte Temperatiarliöhe. Wenn der Widerstand 60 verwendet wird j ist ©f fens ich tuch. _B daß der Widerstandswert 62 groß iia Verhältnis za deia von 60 "XSt₄, so daß er

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einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Wert von 60 bildet. Der Widerstand 58 stellt den Widerstand dar, der, wenn er parallel zu 62 gelegt ist, den Wert der Differenz der Referenzspannung über 62 vermindert. Für eine erwünschte 5% Differenz zwischen der zwischenzeitlichen· und der Endtemperaturhöhe wäre der Wert des Widerstandes 58 in Fig. 7 etwa 18 mal so groß wie der des Widerstandes 60. Der Parallelanschluß des Widerstandes 58 zu dem Widerstand 62 wird durch die Schaltvorrichtung 98 bewirkt, die in Verbindung mit dem Relais 28 in der Kommutierschaltung einen Relaiskontakt 64 besitzt. Der Relaiskontakt 64 ist normalerweise offen. Wenn der Thyristor 32 mit Hilfe eines Startsignales zu der Hauptwechselrichterschaltung in den Leitzustand gezündet wird, erhält das Relais 28 als Teil der Schaltvorrichtung 98 Strom, und der Kontakt 64 wird geschlossen. Ein Widerstand 26 liegt parallel der Relaisspule 28, um den Betrieb zu stabilisieren. Die Referenzspannung, die zwischen dem Schleifer 61 und dem relativen Anschluß der Versorgungsspannung liegt, wird mit dem Ausgang der Sensorschaltung 92 verglichen.

Der Ausgang des Detektors 92 und die Referenztemperaturquelle 96 werden dann zu einer Spannungsvergleichsschaltung 94 geführt, und sobald die der verminderten Referenzspannung in Schaltung 96 entsprechende Temperatur erhalten wird, liefert die die Spannung erfassende Vergleichsschaltung 94, die

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einen Differentialverstärker besitzt, ein Ausschaltsignal zu den Ausschalt-Gates des Wechselrichters und setzt gleichzeitig eine Zeitgeberschaltung 100 in Gang, die im wesentlichen aus einem Unij unction-Transistor 48 und einem Netzwerk 46 und 50 besteht, das die Zeitkonstante bestimmt. Das AND-Gatter 84 ist mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 94 verbunden, und der Ausgang des AND-Gatters schaltet das Relais 66 ein, jedoch nur, wenn beide Ausgangssignale der Vergleichsschaltung und ein zusätzliches Eingangssignal, das dem Spannungsabfall über dem Widerstand 34 in der Schaltung des TJyristors 32 entspricht, vorhanden sind. Unter diesen Bedingungen, wenn die erste Temperaturhöhe ^^ΙΛ) ^er~ reicht ist, zieht .das Relais 66 Strom und schließt den normalerweise offenen Kontakt 42 von der Zeitverzögerungsschaltung 100. Am Ende der ausgewählten Zeitverzögerung, zum Beispiel (t₂ - t-), die durch den Widerstand 46 und den Kondensator 50 bestimmt ist, wird der Unijunction-Transistor 48 in den leitenden Zustand gezündet und liefert über den Widerstand 40 ein Signal, das den %-ristor 38 zündet, wodurch der Thyristor 32 aasgeschaltet wird. Ist Tfyristor 32 abgefallen, zieht das Relais 28 keinen Strom mehr, und der Kontakt 64 öffnet sich, und bringt somit das Referenzsignal, das über 60, bzw. über dem negativen und dem Schleiferanschluß des Potentiometers 61 erscheint, wieder auf seinen ursprünglichen Wert, der gewünschten Endtemperatur T₃,,.

entsprechend. Von hier an ist, da das AND-Gatter 84 das

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zusätzliche Signal von dem Spannungsabfall über dem Widerstand 34 nicht mehr erhält, nur der Ausgang des Differenzspannungssensors der Vergleichsschaltung 94 in Betrieb, wodurch ein Ausschaltsignal an den Wechselrichter geliefert wird, wenn die Endtemperatur erreicht ist. Falls eine zusätzliche Verweilzeit nach dem Erreichen der Endtemperatur erforderlich ist, kann eine zusätzliche Zeitgeberschaltung, wie zum Beispiel 102, verwendet werden, die von dem Ausschal tpuls, der über dem Widerstand 40 erscheint, getriggert wird, wenn 38 eingeschaltet ist, wodurch 32 ausgeschaltet wird. Diese Zeitgeberschaltung ermöglicht es dann auf übliche Weise, daß der Wechselrichter eine beliebige zusätzliche Zeitperiode betrieben wird, urn eine doppelte Zeit für die Erwärirungsteile vorzusehen.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführung der einstellbaren Referenztemperaturquelle 96, die einen Transistor 98a verwendet, der das Relais 28 in den Kontakt 64 der obigen Ausführung ersetzt. Sobald 98a in den leitenden Zustand übergeht, wird der Widerstand 58a mit der negativen Seite von 62a verbunden. Demgemäß ist die Parallelschaltung von 58a und 62a der Serienwiderstand zu 62a, wodurch die Spannung über 62a wirkungsvoll verringert wird und somit ein Ausgangssignal gezeigt wird_? das einer niedrigeren Temperatur, zum Beispiel ^₂(D' entspricht«

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Claims

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Ansprüche :

Λ.J Induktionsheizungsvorrichtxing und auf Temperatur ansprechende Steuerungsvorrich/ gekennzeichnet durch einen Wechselrichter und eine Induktionskerneinheit, die einen im wesentlichen U-förmigen, ferromagnetischen Kern mit einer darum gewickelten Erregungsspule besitzt und betriebsmäßig mit der Wechselrichterschaltung verbunden ist, und bei der eine Vorrichtung mit dem Kern integriert ist, die die Oberflächentemperatur eines Werkstückes überwacht, wenn es vermittels der Magnetschaltung, die aus dem Werkstück und dem Kern gebildet wird, erhitzt wird.

2. Induktionshoizungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine auf die Temperaturüberwachung ansprechende Vorrichtung zur automatischen Steuerung des Wechselrichterausgangs, um den an den Kern abgegebenen, die Temperatur erzeugenden Strom bei einer vorbestimmten Oberflächentemperatur des Werkstückes abs us ehalten, besitzt«,

Induktionsheizungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung des

Fecliselr'i.ciiterausgangs eine Vorrichtung zur automatischen

cliters wiä sukzessiven Steuerung des Fecüiselri^ besitzt _g um

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eine erste vorbestimmte Temperatur für einen bestimmten Zeitraum einzuhalten, an" den sich eine darauffolgende Betriebsperiode zum Anheben der Temperatur auf eine zweite Temperaturhöhe und zum Einhalten dieser zweiten Temperaturhöhe anschließt.

4. Induktionsheizungsvorrichtung mit einer zweistufigen Temperatursteuerung, gekennzeichnet durch einen Stromversorgungswechselrichter, der betriebsmäßig zur Versorgung einer Induktionskerneinheit mitxhr verbunden ist, wobei die Induktionskerneinheit ein mit ihr betriebenes Element zur Temperaturerfassung besitzt, das über eine Vorrichtung verfügt, um die erfaßte Temperaturhöhe zu einer in einem direkten Verhältnis dazu stehenden Ausgangsspannung umzusetzen, eine einstellbare, Spannungsteilende Referenstemperaturguelle,

eine Spannungsvergleichsschaltung, die die Spannungen von der Temperaturerfaßvorrichtung und der einstellbaren Referenztemperaturquelle erfaßt und vergleicht und über eine Vorrichtung verfügt, um ein erstes Signal zu erzeugen, wenn beide Spannungen gleich sind, αμΓσΙι eine Vorrichtung, die auf dieses Signal zur Steuerung des Wechselrichters anspricht, um eine erste Temperaturhöhe einzuhalten,
eine Zeitgeberschaltung mit einer Schaltvorrichtung,

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die auf das Signal anspricht, um den Wert der Referenztemperaturquelle nach einer ersten, vorbestimmten Zeitverzögerung nach dem Liefern des ersten Signales zurücksetzt,

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signales nach dem Zurücksetzen des Wertes der Referenztemperatur, um den Wechselrichter für einen BetriebsZeitraum zu aktivieren, um die Temperatur auf eine zweite, größere Temperaturhöhe anzuheben, bis ein darauffolgendes erstes Signal von der Spannungsvergleichsschaltung erzeugt wird, wodurch die Heizvorrichtung automatisch die Temperatur des Werkstückes erfaßt und in der Lage ist, seine Temperaturen auf zwei Stufen zu steuern.

5. Induktionsheizungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Referenztemperaturquelle ein Spannungsteilungsnetzwerk mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Wertes eines der in Reihe aufgeteilten, zusammengesetzten Widerstände und zur Auswahl der Referenztemperaturhöhe besitzt, daß eine Vorrichtung zur Anschließung eines weiteren Widerstandes parallel zu dem einen Widerstand vorgesehen ist, um die über dem einen Widerstand abfallende Spannung zu verringern, um zeitweilig den Spannungsausgangswert von der Referenztemperaturquelle zu verkleinern.

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6. InduktionsheizungsVorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Wertänderung des einen der in geteilter Reihe kombinierten Widerstände ein Potentiometer ist, wodurch die gewünschte Refe~ renztemperaturhöhe eingegeben werden kann.

7. InduktionsheizungsVorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zweite Zeitgeberschaltung, die auf das erste Signal zum betriebsmäßigen Ausschalten des Wechselrichters nach einer zweiten, vorbestimmten Zeitverzögerung, die dem Beginn eines ersten Signales folgt, anspricht, wobei die zweite, vorbestimmte Zeitverzögerung länger als die erste, bestimmte Zeitverzögerung ist.

8. Induktionsheizungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionskerneinheit ein fiberoptisches Element integriert damit verbunden besitzt, das betriebsmäßig an einen infrarotempfindlichen Detektor

en
angeschlossen ist, der ein' Linearverstärker als Vorrichtung zum Umsetzen der von dem fiberoptischen Element erfaßten Temperatur in eine Ausgangsspannung, die mit der Referenztemperaturquelle in der Vergleichsschaltung verglichen werden soll, besitzt.

9. Verfahren zur Induktionserwärmung eines Materialstückes aus ferromagnetischem Grundmaterial, das mit einem nicht-

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leitenden, nichtferromagnetischen Oberflächenmaterial, wie zum Beispiel Farbe, beschichtet ist, gekennzeichnet durch die Schritte des Erhitzens des Grundmaterials und gleichzeitigen Überwachens der Temperatur des Oberflächenmaterials, des automatischen Anhaltens der Wärmezufuhr zu dem Grundmaterial, wenn die Temperatur des Oberflächenmaterials eine erste, vorbestimmte Temperaturhöhe erreicht hat, die niedriger als eine zweite, vorbestimmte gewünschte Temperaturhöhe ist, der Temperatur des Grundmaterials zu ermöglichen, sich mit der Temperatur des Oberflächenmaterials auf der ersten Temperaturhöhe auszugleichen, einer automatischen Wiederaufnahme der Hitzezufuhr zu dem Grundmaterial, bis die Oberflächentemperatur die zweit-5, vorbestimmte Temperaturhöhe erreicht, des Aufrechterhaltens der zweiten Temperaturhöhe für ein bestimmtes Zeitintervall und des nachfolgenden Abschaltens der Induktionsheizungsvorrichtung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Erhitzung des Grundmaterials durch Induktionsheizung erreicht wird, wobei die Induktionsheizungsvorrichtung ausgeschaltet wird, wenn die Temperatur des Oberflächenmaterials die erste Temperaturhöhe erreicht hat, und nachfolgend eingeschaltet wird, wenn die Temperatur des Oberflächenmaterials und des Grundmaterials gleich sind.

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11. Vorrichtung zur Erfassung und Steuerung der Temperatur eines Werkstückes, das durch eine selektiv betriebene Energiequelle erhitzt wird, gekennzeichnet durch ein Temperaturerfassungselement und eine Vorrichtung, um die erfaßte Temperaturhöhe zu einer direkt darauf bezogenen Ausgangsspannung umzusetzen, eine einstellbare, Spannungsteilende Referenztemperaturquelle, eine Spannungsvergleichsschaltung, die die Spannungen von der Temperaturerfassungsvorrichtung und der einstellbaren Referenztemperaturquelle aufnimmt und vergleicht und Mittel zur Erzeugung eines ersten Signales besitzt, wenn die Spannungen gleich sind, Vorrichtungen, die auf das Signal ansprechen,, um die Energiequelle zu steuern, um eine erste Temperaturhöhe einzuhalten, eine Zeitgeberschaltung, die eine Schaltvorrichtung besitzt, die auf das Signal anspricht, um den Wert der Referer.ztemperaturquelle nach einem bestimmten ersten Zeitraum nach dem Beginn des ersten Signales neu zu setzen, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signales nach dem neuen Setzen des Wertes der Referenztemperatur, um eine Betriebsperiode der Energiequelle zum Anheben der Temperatur des Werkstückes auf eine zweite, höhere Temperatur in Gang zu setzen, bis ein darauffolgendes erstes Signal durch die Spannungsvergleichsschaltung erzeugt wird.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine zweite Zeitgeberschaltung, die auf das Signal anspricht, um die Energiequelle nach einer zweiten, vorbestimmten Zeitverzögerung, die dem Beginn des ersten Signals folgt, auszuschalten, wobei die zweite, vorbestimmte Zeitverzögerung länger als die erste, vorbestimmte Zeitverzögerung ist.

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