DE10011529A1 - Fliessfrontsensor - Google Patents

Abstract

Ein induktiver Fließfrontsensor für Hochtemperaturanwendungen umfasst im wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse (1), einen stirnseitig metallischen Boden (2), wenigstens eine Oszillatorspule (4) mit Ferritkern (17) und eine Elektronik (6). Die Wicklungsdrähte der Oszillatorspule (4), welche vorzugsweise aus Silber, Nickel, Platin oder Kupferlegierungen bestehen, sind mit Keramik isoliert. Der Boden (2) und ein Kopfteil (5) des Gehäuses (1) im Kopfbereich bestehen zweckmäßig aus einem hochtemperatur- und hochdruckfestem, temperaturschockbeständigem metallischen Material, welches über den Nenntemperaturbereich keine oder eine dem Feldverlust der Oszillatorspule (4) entgegengesetzte entsprechende Bedämpfungsänderung bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fliessfrontsensor, insbesondere zur induktiven Detektion beim Druckgiessen u. dgl. von Leichtmetall-Legierungen, welcher im wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse, eine stirnseitige Membrane, wenigstens eine Oszillatorspule mit Ferritkern und die zugehörige Elektronik umfasst.

Beim Druckgiessen von Leichtmetallen und dergleichen sind berührungslose Nähe­ rungsschalter unumgänglich. In induktiven Annährungsschaltern beispielsweise sind Oszillatoren mit einem LC-Schwingkreis eingebaut, welche während dem Betrieb ein Wechselfeld erzeugen. Dieses Wechselfeld wird von sich dem Feld nähernden metalli­ schen Körpern bedämpft, d. h. abgeschwächt, wobei sich das Verhalten des Feldes än­ dert.

Damit das Wechselfeld des Annäherungsschalters nach vorne in den freien Raum aus­ strahlen kann, sind an sich bekannte Schutzabdeckungen vor der Oszillatorspule ange­ ordnet, welche aus einem elektromagnetisch transparenten Material bestehen. Schutz­ abdeckungen aus Kunststoff sind preiswert, einfach einpassbar und elektromagnetisch transparent. Bei extremen Temperaturanforderungen werden nach dem bekannten Stand der Technik temperaturbeständige Keramikscheiben verwendet, welche wohl teurer und schwieriger im Einbau sind, aber einen guten thermischen Schutz bieten.

Sowohl Keramik- als auch Kunststoffmaterialien sind jedoch in Membranform nicht hochdruckbeständig. Um eine genügend hohe Druckfestigkeit zu erhalten, müsste die Membrandicke unverhältnismässig stark vergrössert werden. Dies wiederum hätte eine zu grosse Reduktion des Nutzschaltabstandes (oder Signalhubes) zur Folge.

Auch ist bei heute üblichen Annäherungsschaltern die Elektronik, d. h. die Oszillator­ schaltung mit der ganzen Signalverarbeitung, im zylindrischen Schaltergehäuse unter­ gebracht, was den Dauertemperaturbereich des ganzen Annäherungsschalters auf et­ wa 200°C limitiert.

Heutige industrielle Prozesse, insbesondere Hochtemperaturprozesse, verlangen robu­ ste, serienmässig hergestellte Annäherungsschalter, welche möglichst hohen Tempe­ raturen und/oder Drücken widerstehen, wie z. B. in der Giessereitechnik.

In der EP-A 0 695 036 ist ein hochdruckfester Annäherungsschalter beschrieben, wel­ cher eine eingeschrumpfte Keramikscheibe als Membrane vorsieht. Eine solche Aus­ führung ist zwar hochtemperaturfest, aber nicht temperaturschockfest, da die unter­ schiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse und der Membrane zu Rissen in der Keramik führen können. Ausserdem ist die Keramikscheibe spröde und daher nicht fest gegen hohe Druckbelastungen und/oder mechanische Ein­ wirkungen von Schlägen mit Spitzen oder harten Teilen. Weiter können Keramikmem­ branen, wenn sie mit flüssigen Metallen oder Metallspuren in Kontakt treten, metallisie­ ren und damit bedämpft werden, was die Anwendung in der Metallgiesserei wegen der Metallschicht ausschliesst oder zumindest stark erschwert.

Die EP-A-479 078 offenbart einen Sensor mit einem topfförmigen Metallgehäuse mit einer stirnseitigen Membrane und einer Oszillatorspule, der als induktiver Sensor z. B. für ein Kochfeld (Topferkennung) anwendbar ist.

Die WO 99/12260 beschreibt einen induktiven Annäherungsschalter für Temperatur- und/oder Druckanwendungen, welcher im wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse, eine stirnseitige Membrane, wenigstens eine Oszillatorspule mit Ferritkern und eine Elektro­ nik umfasst, wobei die Wicklungsdrähte der Oszillatorspule mit Keramik isoliert sind. Die Oszillatorspule ist von der Membrane beabstandet und die Durchbiegung der Membra­ ne ist als Drucksignal detektierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fliessfrontsensor zur Detektion flüssi­ ger bzw. halbflüssiger Leichtmetalle beim Druckgiessen, insbesondere einen induktiven Näherungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher hohen Temperatu­ ren und/oder Drücken standhält, robust ist und nur geringe temperaturbedingte Be­ dämpfungsänderungen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass für Hochtemperatur- und/oder Hochdruckanwendungen eine Bauform gemäss der WO 99/12260 zur Anwen­ dung gelangt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Die Bedämpfung des vom Oszillator des Annäherungsschalters ausgesandten Wech­ selfeldes wird im Nenntemperaturbereich nicht geändert oder kompensiert.

Von Bedeutung sind die Wicklungsdrähte der Oszillatorspule. Diese bestehen vorzugs­ weise aus keramikbeschichtetem Silber, Nickel, Platin oder auch Kupferberyllium.

Von wesentlicher Bedeutung ist weiter die Anordnung des Oszillators mit seinem LC- Schwingkreis. Lediglich die Oszillatorspule mit Ferritkern ist im Gehäuse des Fliess­ frontsensors angeordnet, die ganze Elektronik wird mit einem Kabel aus dem Gehäuse an einen weniger exportierten Ort geleitet. Es können auch zwei oder mehr Oszillator­ spulen eingebaut sein, welche coaxial und/oder nebeneinander angeordnet sind. Da­ durch wird erreicht, dass die Temperaturempfindlichkeit vermindert und die Signalstärke erhöht wird.

Der Fliessfrontsensor erfasst die vorbeiströmende Front mit 0,1 bis 200 m/sec. Üblicher Leichtmetalllegierungen (Al-Mg-Schmelzen) Am Ausgang wird die vordere Fliessfront mit einem scharfen Impuls (abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit) als Aus­ gangssignals angezeigt. Der Impuls fällt dann wieder ab, selbst wenn sich immer noch Material vor dem Sensor befindet. Der Fliessfrontsensor erkennt also nur eine schnelle Leitwertveränderung im Bereich des Messflecks und zwar eine Leitwertveränderung von Isolation nach metallisch leitend. Der Sensor eignet sich somit für zyklische Appli­ kationen, bei denen sich die Position des Messobjektes viel schneller als die Tempera­ tur ändert.

Die Erfindung wird einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht des Fliessfrontsensors mit einem separaten Oszillatorteil,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht des Fliessfrontsensors,

Fig. 3 eine Variante von Fig. 2, für leichtflüssige Metalle

Fig. 4 ein ideales Temperaturverhalten eines Annährungsschalters,

Fig. 5 einen in eine Bohrung einer Giesskammer eingebauten Fliessfrontsensor

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Fliessfrontsensors.

Ein in Fig. 1 dargestellter Fliessfrontsensor weist ein zylindrisches Gehäuse 1 mit einem stirnseitigen, metallischen Boden 2 und einem nicht erkennbaren Aussengewinde auf. Das Gehäuse 1 und der Boden 2 bestehen aus demselben hochtemperaturfesten Mate­ rial mit möglichst kleiner Bedämpfung, wie z. B. ferritische Materialien, V2A-Stahl, einer Titanlegierung, Kupferberyllium oder einem anderen metallischen Material mit entspre­ chenden Eigenschaften, insbesondere einer hohen Temperaturschock- und Druckbe­ ständigkeit.

Der Aufbau des Fliessfrontsensors entspricht im wesentlichen der Offenbarung der WO 99/12260.

Die Bedämpfung des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes durch den metalli­ schen Boden 2 kann teilweise kompensiert durch wenigstens eine innenseitige Ausspa­ rung 3 in dem Boden 2. Jede dieser Aussparungen 3 ist mit wenigstens einer passen­ den Ferritpille 12 gefüllt, welche das Wechselfeld näher an einen zu detektierenden metallischen Körper K führt und damit ein höheres Nutzsignal bringt. Die Aussparungen 3 beeinträchtigen die Druckfestigkeit des Bodens 2 nur unwesentlich, insbesondere wenn lediglich eine zentrale Aussparung 3 ausgebildet ist, was überdies gute Resultate bezüglich des Schaltabstands ergibt.

Innerhalb des Bodens 2 ist eine Oszillatorspule 4 angeordnet und über ein Kabel 7 mit einer externen Elektronik 6 verbunden. Diese Oszillatorspule 4 besteht aus einem hochtemperaturfesten Ferritkern 17 und einer Wicklung 18 aus einem keramikisolierten Leiter, wodurch insgesamt eine hohe Temperaturfestigkeit gewährleistet ist. Nach dem Einbau wird die gesamte Oszillatorspule 4 zweckmässig mit dem Kabel 7 vergossen. Oszillatorspule 4 und Kabel 7 können aber auch mechanisch verspannt sein.

Ebenso kann auch nur der Kopfteil 5 des Gehäuses 1 mit einem stirnseitigen Boden 2 versehen bzw. hergestellt sein. Der übrige Teil 8 des Gehäuses kann aus einem ande­ ren Material (Kosten, Bearbeitung) bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform des Fliessfrontsensors für geringe Druckbeanspru­ chungen ist nur ein wesentlich dünnerer Boden 2 erforderlich, im Bereich 0,1-1 mm (gegenüber 1,5 bis 3 mm gemäss Fig. 1 und 2). Ein derart dünn ausgebildeter Boden 2 ist durchlässiger für das elektromagnetische Wechselfeld, weshalb der Schaltabstand vergrössert werden kann. Durch diesen geringeren Schaltabstand sinkt die Bedämp­ fung durch den Boden 2 und steigt das Signal eines sich im Wechselfeld nähernden metallischen Körpers K beträchtlich, ohne dass sich die Hochtemperaturbeständigkeit ändert.

In Fig. 4 ist ein ideales Temperaturverhalten des Fliessfrontsensors dargestellt. Es wird gezeigt, wie eine günstige Materialwahl die Temperatureinflüsse über einen Nenntem­ peraturbereich T_N aufheben oder wenigstens teilweise kompensieren kann. Auf der Ab­ szisse ist die Temperatur T, auf der Ordinate die infolge der Bedämpfung resultierende Temperaturempfindlichkeit der Feldstärke B des Wechselfeldes auf Annährung von metallischen Körpern K aufgetragen. Bevorzugt resultiert eine horizontale Linie, d. h. die vollständige Temperaturunabhängigkeit.

Kurve 1 zeigt die Feldstärke B bei Abnahme der Bedämpfung durch das als Membrane 2 verwendete metallische Material. Die Bedämpfung nimmt mit steigender Temperatur T ab, wodurch stärkere Signale entstehen. Kurve 11 stellt das Verhalten der Oszillator­ spule 4 dar, welche mit zunehmender Temperatur T mit den meisten Materialien an Feldstärke B verliert. Die Kurve I steigt vorzugsweise im selben Winkel, wie Kurve II sinkt. Bei günstiger Materialwahl heben sich die unerwünschten Temperatureffekte ge­ mäss Kurve I und II auf, der Fliessfrontsensor ist somit temperaturkompensiert, wie dies in der resultierenden Kurve III dargestellt ist.

Eine mechanische Ausführungsform des Fliessfrontsensors ist in Fig. 5 ersichtlich. Der Fliessfrontsensor wird in eine vorbereitete, abgesetzte Bohrung 9 in einem Bauteil 14 geschoben und unter Einwirkung einer Mutter 11 mit dem Bund 10 in die Bohrung 9 verspannt. Dadurch werden auch sehr hohe auf den Boden 2 einwirkende Drücke p durch die Mutter 11 sicher aufgenommen.

Claims (4)

1. Induktiver Fliessfrontsensor, insbesondere für Hochtemperaturanwendun­ gen beim Druckgiessen und dergleichen, welcher im wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse (1), ein stirnseitig metallischer Boden (2), wenigstens eine Oszillatorspule (4) mit Ferritkern (17) und eine Elektronik (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass

• - die Wicklungsdrähte der Oszillatorspule (4) mit Keramik isoliert sind, und
• - die Oszillatorspule (4) um eine Distanz (n) von dem Boden (2) entfernt eingebaut ist.

2. Fliessfrontsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (2) und ein allfälliger Kopfteil (5) des Gehäuses (1) im Bodenbereich aus einem hochtemperaturfesten, temperaturschockbeständigen amagnetischem, metallischen Material besteht, welches über den Nenntemperaturbereich (T_N) keine oder eine dem Feldverlust der Oszillatorspule (4) entgegengesetzt entsprechende Bedämpfungsände­ rung bewirkt.

3. Fliessfrontsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die über ein Kabel (7) angeschlossene Elektronik (6), ausserhalb des Sensor-Gehäuses (1) angeordnet ist.

4. Verwendung eines induktiven Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Fliessfrontsensor zur Detektion beim Druckgiessen von Leichtmetallen in geschmol­ zenem oder teilgeschmolzenem Zustand.