DE19700862A1

DE19700862A1 - Abschreckkühlungs-Wirksamkeitsvorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung

Info

Publication number: DE19700862A1
Application number: DE19700862A
Authority: DE
Inventors: Gary D Keil; Laura A Riegel; Wayne A Supak; Sheryl A Tipton
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 1997-07-17
Also published as: JPH09196772A; US5722772A; BE1011434A5

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen zur Messung des Wirkungsgrades bzw. der Effektivität einer Wärmebehandlungsabschreckung und insbesondere auf eine Echtzeit-Abschrecksonde, die als eine Überwachungs- und Fehlerdetektierungsvorrichtung verwendet werden kann, oder als ein Sensor in einer Regelung der Wärmebehandlungsabschreckung oder in einem Abschrecksystem.

Hintergrund der Erfindung

Wenn Teile wie beispielsweise Metallteile hergestellt werden, ist es manchmal wünschenswert, die Teile zu härten, um die Haltbarkeit und die Abnutzungseigenschaften zu verbessern. Ein Weg zur Härtung des Teils ist es, das Teil in einem Abschreckmittel sofort nach der Erhitzung des Teils auf die gewünschte Temperatur unterzutauchen. Viele verschiedene Arten von Medien können beim Abschrecksystem verwendet werden, und zwar einschließlich Öl oder Wasser oder wäßriger Polymerlösungen, und zwar abhängig von einer Vielzahl von Faktoren einschließlich des Materials, aus dem das Teil gemacht ist und der gewünschten Härte und der mikrostrukturellen Eigenschaften des Teils.

Es ist wünschenswert, daß das Abschrecksystem eine gleichförmige Abkühlung vorsieht, und daß die Abkühlung wiederholbar ist. Eine ungleichmäßige Abkühlung kann verschiedene Härtegrade, Abschreckrisse, verstärkte Distortion bzw. Verwerfung und andere Probleme zur Folge haben. Es gibt viele Faktoren, die zu einer Ungleichmäßigkeit der Kühlung im Abschrecksystem beitragen. Dies können folgende sein: die Tank- bzw. Behälterform und -tiefe, das Bewegungs- bzw. Durchmischungsverfahren (d. h. Pumpen, Laufräder, Rührwerke, usw.), die Konstruktion und Verwendung bzw. Anwendung von Flußleitungsflügen, Flußraten innerhalb des Systems, das spezielle verwendete Abschreckmedium und Verunreinigungen im System. Typischerweise ist es zur Bestimmung der Wirksamkeit oder der Kühlleistung eines speziellen Abschrecksystems und zur Bestimmung, ob einer oder mehrere der obigen Fehlerzustände auftritt, nötig gewesen, eines oder mehrere Teile oder Proben in verschiedenen Gebieten des Abschrecksystems abzuschrecken, dann diese Teile in einem und manchmal mehreren Querschnitten zu schneiden, um vollständig die Härte und Mikrostruktur zu analysieren. Jedoch ist dieses Verfahren sehr arbeitsintensiv und zerstört, was anderenfalls ein verwendbares Teil gewesen sein könnte. Darüber hinaus bestimmt der Test nur die Wirksamkeit bzw. den Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt. Es kann nicht aktiv die Wirksamkeit eines Abschrecksystems überwachen bzw. aufzeichnen.

Es wäre wünschenswert, ein Abschrecksystem zu haben, welches kontinuierlich die Wirksamkeit bzw. den Wirkungsgrad und die Integrität eines Abschrecksystems während des Betriebs überwachen könnte, und welches ein Signal liefern würde, falls ein Zustand bestehen würde, der merklich die Abschreckwirksamkeit abgesenkt oder vergrößert hat. Es wäre auch wünschenswert, eine Abschrecküberwachungsvorrichtung bzw. -größe zu besitzen, die als eine Eingabe bzw. Eingangsgröße in einem Regelungs-Rückkoppelungssystem (closed loop) verwendet werden kann, um die Wirksamkeit des Abschrecksystems auf einem gewünschten Niveau durch Steuern der Abschrecksystemparameter zu halten.

Es gibt eine Bauart einer Abschreckabkühlungs- Wirksamkeitseinrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist.

Diese Art von Einrichtung ist allgemein im US- Patent 4.563.097 offenbart (auf welches im folgenden als das "′097-Patent" Bezug genommen wird), betitelt "Method of Evaluating Cooling Performance of Heat Treatment Agent and Apparatus Therefor" (Verfahren zur Bewertung der Kühlleistung eines Wärmebehandlungsmittels und Vorrichtung dazu). Das ′097-Patent offenbart eine Einrichtung mit einem einzigen Widerstandstemperaturdetektor (RTD = resistance temperature detector). Diese Einrichtung legt variierende Strompegel an den RTD an, was bewirkt, daß der RTD auf unterschiedliche Temperaturpegel aufgeheizt wird. Da eine Temperatur/Widerstands-Beziehung für den RTD bekannt ist, kann die Einrichtung die RTD-Temperatur als eine Funktion der Spannung bestimmen, die an den RTD angelegt ist, und eines gemessenen Stromes durch den RTD.

Im ′097-Patent wird der RTD-Sensor in einem Abschrecksystem installiert und die RTD-Temperatur wird variiert, um eine Kurve der dissipierten Wärme über der Temperatur für dieses spezielle Abschreckmedium zu erzeugen. Die Wirksamkeit von verschiedenen Abschreckmedien kann dadurch als eine Funktion einer Temperaturkurve analysiert werden. Wie in Fig. 5 des ′097-Patentes gezeigt, wird eine Abschreckung mit starker Umwälzung bzw. Bewegung eine andere Abkühlungskurve zur Folge haben als mit schwacher oder keiner Umwälzung bzw. Bewegung.

Jedoch leidet eine Einrichtung, wie die im ′097-Patent offenbart, an mehreren Nachteilen. Es wird beispielsweise der Sensor selbst wiederholt aufgeheizt (auf relativ heiße Temperaturen über 750°C) und abgekühlt, um die Abkühlung der tatsächlichen Teile zu simulieren. Die wiederholte Aufheizung und Abkühlung des Sensors bewirkt, daß der Sensor eine kurze Lebensspanne besitzt und dadurch eine kontinuierliche Überwachung des Abschrecksystems verhindert.

Es gibt noch einen weiteren Nachteil, der mit der im ′097-Patent offenbarten Vorrichtung assoziiert ist. Da es nur einen RTD-Sensor gibt, werden sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Aufheiz- bzw. aufgeheizte Temperatur (wie vom Sensor gemessen) nicht gleichzeitig gemessen, und daher werden Umgebungstemperaturveränderungen nicht detektiert. Da die Umgebungstemperatur nicht gemessen wird, kann diese Vorrichtung keine sofortige Wärmekonventionsmessung (heat convention measurement) machen und kann nicht für eine sofortige bzw. andauernde Überwachung verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen oder mehrere der Nachteile zu überwinden, die mit der Abschreckabkühlungs-Wirkungsgradeinrichtung bzw. Wirksamkeitseinrichtung des Standes der Technik assoziiert sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur Messung der Abkühlwirksamkeit einer Abschreckung offenbart. Die Einrichtung weist erste und zweite wärmeleitende Hüllen auf, die Temperatursensoren darin installiert haben. Die ersten und zweiten Hüllen werden durch eine hitzebeständige Hülle getrennt, die thermisch die erste Hitzehülle von der zweiten Hitzehülle isoliert.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur Überwachung der Wirksamkeit einer Abschreckung offenbart. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Messen des Widerstandes eines ersten und zweiten Widerstandstemperatursensors, Anlegen eines bekannten elektrischen Stroms an den ersten Sensor, Berechnen einer Wärmeausgangsgröße des ersten Sensors, und Berechnen eines Konvektionskoeffizienten der Abschreckung.

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen und in der Beschreibung der Erfindung werden, wo geeignet, gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche Teile Bezug zu nehmen. In den Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:

Fig. 1 zeigt im allgemeinen eine schematische Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Abschreckwirksamkeitssonde der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt allgemein eine schematische Abbildung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Wärmebehandlungs-Abschrecküberwachungs- und -steuerschaltung, die in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist; und

Fig. 3 zeigt allgemein ein Flußdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Software- Steuerung, die in Verbindung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Abschrecksonde 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Abschrecksonde 10 weist vorzugsweise zwei Temperatursensoren auf, die ihren elektrischen Widerstand als eine Funktion der Temperatur der Sensoren 85, 30 variieren bzw. verändern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Sensoren 85, 30 Widerstandstemperaturdetektoren ("RTD-Sensoren", RTD = resistance temperature detector) auf, es könnten jedoch andere ähnliche Abfühlvorrichtungen leicht und einfach für die RTD-Sensoren 85, 30 eingesetzt werden, ohne vom Kern bzw. Umfang der vorliegenden Erfindung, wie von den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist zwei RTD-Sensoren 85, 30 auf, die thermisch voneinander durch eine hitzebeständige Hülle 50 isoliert sind. Durch thermische Isolierung der zwei RTD- Sensoren 85, 30 kann der zweite RTD-Sensor 85 eine Umgebungs-Abschrecktemperatur messen, die relativ unbeeinflußt vom aufgeheizten ersten RTD-Sensor 30 ist. In dieser Weise kann die Sonde 10 eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten RTD-Sensor 30 und dem zweiten RTD-Sensor 85 messen und einen relativen Wärmekonvektionskoeffizienten für die Abschreckung im Gebiet der Sonde 10 festlegen. Die Abschrecksonde 10 weist vorzugsweise eine erste wärmeleitende Hülle 20 mit einem Hohlraum 25 darin auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste wärmeleitende Hülle aus rostfreiem Stahl konstruiert. Wie dem Fachmann klar sein wird, könnten jedoch andere Materialien leicht und einfach eingesetzt werden und man bleibt trotzdem innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert. Wie in der Figur gezeigt, weist der Hohlraum 25 vorzugsweise eine Längsbohrung entlang einer Längsachse 26 der ersten wärmeleitende Hülle 20 auf. Innerhalb des Hohlraums 25 ist ein erster Widerstandstemperaturdetektor ("RTD") 30 installiert, der seinen Widerstand als eine Funktion der Temperatur verändert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Platin-RTD-Sensor mit 50 Ohm für den ersten RTD verwendet. Doch könnten andere ähnliche Sensoren mit unterschiedlichen Widerstandswerten oder die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, leicht und einfach ersetzt werden bzw. eingesetzt werden. Der erste RTD-Sensor 30 ist vorzugsweise unter Verwendung von thermisch leitendem Epoxidharz 35 installiert bzw. eingebaut und der Hohlraum 25 wird dann unter Verwendung von thermisch isolierendem Epoxidharz 40 versiegelt. Führungsdrähte 45 erstrecken sich vom ersten RTD-Sensor 30 durch das thermisch leitende Epoxidharz 25 und das thermisch isolierende Expoxidharz 40. Wie unten genauer beschrieben, werden die Führungsdrähte 45 mit dem ersten RTD-Sensor 30 verbunden und erstrecken sich durch die anderen Komponenten und treten aus der Sonde durch eine thermisch isolierende Hülle aus.

Ein erstes Ende 55 einer hitzebeständigen Hülle 50 ist an der ersten wärmeleitenden Hülle 20 angebracht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erste wärmeleitende Hülle 20 einen Außengewindeteil 46 auf und ist an der hitzebeständigen Hülle 50 durch Verbinden des Gewindeteils 46 mit einem umgekehrten Innengewindeteil 47 verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die hitzebeständige Hülle 50 eine Bohrung 60 durch eine Längsachse 26 auf. Durch die Bohrung 60 sind Führungsdrähte 45 vom ersten RTD-Sensor 30 geschraubt. Ein zweites Ende 65 der hitzebeständigen Hülle 50 weist einen Außengewindeteil 66 auf. Das zweite Ende der hitzebeständigen Hülle 50 ist an einer zweiten wärmeleitenden Hülle 70 angebracht und ist vorzugsweise unter Verwendung des Außengewindeteils 66 und eines umgekehrten Innengewindeteils 75 angebracht.

Die zweite wärmeleitende Hülle 70 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl konstruiert. Jedoch können andere geeignete wärmeleitende Materialien leicht und einfach für den rostfreien Stahl ersetzt werden, während man innerhalb des Geistes und Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, bleibt. Die zweite wärmeleitende Hülle 70 weist vorzugsweise eine Längsbohrung 80 entlang einer Längsachse 26 der Hülle 70 auf. Ein zweiter RTD-Sensor 85 ist vorzugsweise innerhalb der Längsbohrung 80 unter Verwendung eines thermisch leitenden Epoxidharzes 90 installiert, obwohl andere wärmeleitende Befestigungsmaterialien auch verwendet werden könnten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der zweite RTD-Sensor einen Platin-RTD mit 100 Ohm auf. Jedoch könnten andere ähnliche Sensoren mit unterschiedlichen Widerstandswerten oder die aus anderen Materialien konstruiert worden sind leicht und einfach verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Die Führungsdrähte 45 vom ersten RTD-Sensor 30 sind durch die Längsbohrung 80 und um den zweiten RTD-Sensor 85 geschraubt. Ein zweiter Satz von Führungsdrähten 95 erstreckt sich vom zweiten RTD-Sensor 85. Die zweite wärmeleitende Hülle 70 ist an einer zweiten hitzebeständigen Hülle 100 angebracht. Vorzugsweise weist die zweite wärmeleitende Hülle 70 einen Außengewindeteil 105 an einem Ende 110 der Hülle 70 auf. Die Hülle 70 ist vorzugsweise an der zweiten hitzebeständigen Hülle 100 angebracht, und zwar unter Verwendung des Außengewindeteils 105 und eines umgekehrten Innengewindeteils 115 an einem Ende 120 der hitzebeständigen Hülle 100.

Die zweite hitzebeständige Hülle 100 weist vorzugsweise eine Längsbohrung 125 parallel zu einer Längsachse der Hülle 100 auf. Die Führungsdrähte 45 und der zweite Satz von Führungsdrähten 95 sind durch die Bohrung 125 geschraubt und erstrecken sich aus einem zweiten Ende 130 der zweiten hitzebeständigen Hülle 100.

Wie vollständiger unten beschrieben, mißt in dieser bevorzugten Konfiguration der zweite RTD-Sensor 85 eine Umgebungstemperatur der Abschreckung bzw. des Abschreckmittels. Der erste RTD-Sensor 30 erzeugt eine bekannte Wärmemenge und die Abkühlwirksamkeit kann daher gemessen werden, und zwar durch Auslesen der Temperaturen des ersten und zweiten RTDs, um die Größe des Temperaturanstieges zu bestimmen, der durch die bekannte Wärmemenge und die Strömungsmittelwärmeübertragung bewirkt wird.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Überwachungsschaltung 200 gezeigt, die in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Abschrecksonde 10 verwendet wird. Die Überwachungsschaltung 200 weist einen Mikroprozessor 210 auf, der elektrisch durch Kommunikationskanäle 220 mit einem Monitor bzw. einer Überwachungsvorrichtung 225 oder einer ähnlichen Eingabe- und Anzeigevorrichtung verbunden ist. Der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Mikroprozessor ist ein Little Giant Model MKT1-LG-X, hergestellt von Z-World Engineering, Davis, Kalifornien. Jedoch könnten andere Mikroprozessoren oder Mikrocomputer mit ähnlichen Fähigkeiten leicht und einfach eingesetzt werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.

Der Mikroprozessor 210 weist zumindest zwei Analogeingänge bzw. -eingangsgrößen auf, die in der Figur als Analogeingänge bzw. -eingangsgrößen 1 und 2 bezeichnet sind. Der Mikroprozessor weist auch vorzugsweise einen Drei-Bit-Adreßbus A0-A2 auf.

Zusätzlich ist der Mikroprozessor 210 mit einer Leistungsquelle verbunden, die in der Figur als B+ bezeichnet ist. Der Mikroprozessor 210 überwacht die Leistungsquelle B+, um zu bestimmen, ob sie auf einem ausreichenden Spannungspegel ist, um die Schaltung 200 mit Leistung zu versorgen. Wenn der Spannungspegel der Leistungsquelle B+ unter einen vorbestimmten Pegel fällt, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 23,5 Volt, dann gibt der Mikroprozessor eine Warnung über die Leitungen 220 an einen Monitor bzw. eine Überwachungsvorrichtung 225 aus. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist eine andere Signal- und Leistungskonditionierungs- bzw. Leistungszustandsschaltung (power conditioning circuitry) im allgemeinen mit dem Mikroprozessor und der Leistungsversorgung B+ assoziiert. Da jedoch eine solche Schaltung in der Technik wohlbekannt ist und leicht und einfach einzurichten ist, ist sie in Fig. 2 nicht gezeigt.

Die analoge Eingangsgröße bzw. der Analogeingang 2 des Mikroprozessors 210 ist mit der Ausgangsgröße bzw. dem Ausgang eines ersten Puffers 240 verbunden. Der Eingang des ersten Puffers 240 ist mit dem Ausgang eines ersten Multiplexers 235 verbunden. Die Drei-Adreß-Bits A0-A2 sind mit den Adreßeingängen 236 des Multiplexers 235 verbunden. Ein Acht-Kanal-Multiplexer ist in Fig. 2 gezeigt und kann gleichzeitig mit bis zu acht Abschrecksonden der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet werden. Jedoch könnten andere Multiplexer mit entweder einer größeren Anzahl von Kanälen oder mit weniger Kanälen leicht eingesetzt werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, hängt die Ausgabe bzw. Ausgangsgröße des Multiplexers vom Kanal ab, der auf den Adreß-Bits A0-A2 ausgewählt ist. Somit wählt der Mikroprozessor 210 den Kanal aus, den er auf dem Analogeingang bzw. der Analogeingangsgröße 2 auslesen möchte, und zwar durch Senden eines entsprechenden Bit-Musters auf den Adreßleitungen A0-A2.

Genauso ist der Analogeingang 1 des Mikroprozessors 210 mit dem Ausgang eines zweiten Puffers 230 verbunden. Der Eingang des zweiten Puffers 230 ist der Ausgang eines zweiten Multiplexers 245. Der Betrieb des zweiten Multiplexers 245 ist ähnlich dem oben beschriebenen und wird hier nicht wiederholt werden.

Der zweite Multiplexer 245 ist mit einer zweiten RTD- Sensorschaltung 250 verbunden, die mit dem zweiten RTD- Sensor 85 assoziiert ist. Der Widerstandswert des zweiten RTD-Sensors 85 ist in Fig. 2 als R2 bezeichnet. Die zweite RTD-Sensorschaltung 250 weist folgendes auf: den Widerstand R2 des zweiten RTD-Sensors 85, eine RTD- Konditionierungsschaltung (conditioner circuitry) 225 (die dem Fachmann wohlbekannt ist), eine positive Versorgungsspannung B+ und einen Meßwiderstand R4. Wie dem Fachmann bekannt ist, variiert der Widerstand eines RTD-Sensors mit der Temperatur, wenn die Temperatur des Sensors ansteigt, steigt sein Widerstand genauso an. In der zweiten RTD-Sensorschaltung 250 ist die Spannung V₂ am Meßwiderstand R4 direkt proportional zum Widerstand des zweiten RTD-Sensors 85. Somit kann der Mikroprozessor 210 durch Messen der Spannung V₂ am Widerstand R4 die Temperatur des zweiten RTD-Sensors 85 berechnen. Der Mikroprozessor 210 gibt die Spannung V₂ am Meßwiderstand R4 durch den zweiten Multiplexer 245, den Puffer 230 und in den Analogkanal 1 ein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der zweite RTD-Sensor 85 verwendet, um eine Umgebungstemperatur der Abschreckung bzw. des Abschreckmittels zu messen. Somit wird der in den Analogeingang 1 eingelesene Spannungspegel V₂ die Umgebungsabschrecktemperatur darstellen.

Die Temperaturdifferenzschaltung 260 ist mit einer ersten Eingangsgröße bzw. einem ersten Eingang des ersten Multiplexers 235 verbunden. Die Temperaturdifferenzschaltung 260 weist einen Spannungsregler 265 auf, der mit der Leistungsquelle B+ verbunden ist. Der Spannungsregler 265 gibt einen konstanten Strom K an einen elektrischen Verbinder 270 auf, der mit einem Widerstand R3 verbunden ist. Der Strom K ist eine Funktion des Widerstandswertes R3 und der Spannungsausgabe bzw. -ausgangsgröße des Spannungsreglers 265. Eine Rückleitung 275 mit hoher Impedanz ist auch mit dem Widerstand R3 verbunden. Der Widerstand des ersten RTD-Sensors 30 wird durch R1 dargestellt. Der erste RTD- Sensor 30 ist mit dem Widerstand R3 mit der Rückleitung 275 mit hoher Impedanz und mit Erde 276 verbunden. Der Spannungsabfall am ersten RTD-Sensor 30 wird durch den Widerstand R1 des Sensors bestimmt. Da der durch den Widerstand R1 fließende Strom eine konstante K ist, ist der Spannungsabfall V₁ am Widerstand R1 proportional zum Widerstand. Somit ist die Temperatur des ersten RTDs 30 eine Funktion des Spannungsabfalls V₁.

Wie dem Fachmann bekannt ist, kann ein RTD-Sensor durch das Anlegen eines elektrischen Stroms an ihn aufgeheizt werden. Somit wird der erste RTD-Sensor 30 eine festgelegte Wärmemenge erzeugen, und zwar als eine Folge des konstanten Stroms K, der angelegt ist. Die Temperatur des ersten RTD-Sensors 30 ist dann eine Funktion von verschiedenen Faktoren, die bekannt sind: die Umgebungstemperatur des Abschreckmittels, die vom ersten RTD erzeugte Wärme, der Widerstand des ersten RTDs und der Leitungskoeffizient der Sonde. Dadurch, daß man diese Werte kennt, kann die Abkühlwirksamkeit des Abschreckmittels leicht und einfach berechnet werden.

Gemäß eines anderen Aspektes eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist eine Sicherheits-Abschaltschaltung 280 vorgesehen, um zu verhindern, daß sich der erste Sensor 30 überhitzt. Die Wärmemenge, die vom ersten Sensor 30 erzeugt wird, ist eine Funktion des angelegten konstanten elektrischen Stroms K, des Sensorwiderstandes R1, der Strömungsmittelwärmekapazität und der Strömungsmittelflußrate bzw. -geschwindigkeit des Abschrecksystems. Abschreckmedien mit hohem Strömungsmittelkonvektionsmittelpotential werden Wärme aus dem Sensor wirkungsvoller entfernen bzw. ableiten und werden daher die maximale Temperatur verringern, die der erste Sensor 30 erreichen kann. Um Abkühlwirksamkeitsmessungen von solchen Abschreckmedien mit hoher Konvektion zu gestatten, muß die vom ersten Sensor 30 erzeugte Wärme relativ groß sein. Falls ein solcher Sensor zufälligerweise in einem Medium mit niedriger Konvektion angeordnet werden würde, wie beispielsweise in Luft, oder wenn er zufälligerweise aus dem Abschrecksystem entfernt werden würde, könnte die erzeugte Wärme den ersten Sensor 30 schädigen oder zerstören. Folglich wird eine automatische Abschaltschaltung 280 vorzugsweise vorgesehen, um dabei zu helfen, eine fortgesetzte Sensorintegrität bzw. -funktion sicherzustellen, um Messungen von Abschreckmedien mit hoher Konvektion zu gestatten.

Das Meßsystem der vorliegenden Erfindung kann bei Abschrecksystemen mit einem großen Bereich von unterschiedlichen Konvektionsfähigkeiten bzw. -eigenschaften verwendet werden, und zwar einfach durch Setzen bzw. Einsetzen eines Widerstandes R3 mit anderem Wert, der die maximale Wärmeerzeugung bzw. -ausgabe des ersten Sensors 30 einstellt. Wie dem Fachmann klar wäre, wird ein Widerstand R3 mit höherem Widerstand bewirken, daß der erste Sensor weniger Wärme erzeugt als ein niedrigerer Widerstandswert. Obwohl der in Fig. 3 gezeigte Widerstand R3 einen festgelegten Wert besitzt, ist es dem Fachmann klar, daß eine Vorrichtung mit variablem Widerstand eingesetzt werden könnte, so daß der Widerstand R3 leicht verändert werden könnte, und daß das System 200 einfacher für unterschiedliche Abschreckmedien modifiziert werden könnte.

Die Abschaltschaltung 280 überwacht die Spannung V1 am ersten Sensor 30 und sendet ein Signal an den Mikroprozessor 210, falls V1 eine vorbestimmte Spannungsgrenze übersteigt. Da V1 direkt proportional zur Temperatur des ersten Sensors 30 ist, bedeutet eine Grenze für V1 eine Grenze der Temperatur des aufgeheizten Sensors.

Die Abschaltschaltung 280 ist mit einem Digitaleingang bzw. einer Digitaleingangsgröße D3 des Mikroprozessors 210 verbunden. Die Schaltung 280 weist einen Spannungskomparator 281 auf, der die Spannung am ersten Sensor V1 mit der Spannung V3 an einer Zener-Diode D1 vergleicht. Wie dem Fachmann bekannt ist, richtet der Wert der Zener-Diode D1 den Spannungspegel V3 ein, der wiederum eine Eingangsgröße in den Komparator 281 ist. Der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße 283 des Komparators ist mit dem Eingang bzw. der Eingangsgröße eines ODER- Gatters 282 mit mehreren Eingängen verbunden. Wenn der Ausgang 283 des Komparators 281 auf hoch geht, zeigt er an, daß der Spannungspegel V1 den vorbestimmten Spannungspegel V3 überschreitet, der von der Zener-Diode D1 eingerichtet wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das gezeigte ODER-Gatter 282 bis zu acht Sonden aufnehmen, wobei irgendwelche nicht verwendeten Eingänge mit Erde 285 verbunden sind. Falls irgendeiner der Eingänge des Gatters 282 HOCH ist, ist die Ausgangsgröße bzw. der Ausgang des Gatters 282 auch HOCH. Wenn der Ausgang 283 des Komparators 282 auf HOCH geht, bewirkt er, daß der Ausgang des ODER-Gatters 282 auf HOCH geht, wodurch ein Übertemperatur- bzw. Überhitzungszustand dem Mikroprozessors 280 angezeigt wird. Wenn der Mikroprozessor 210 das HOCH-Signal vom ODER-Gatter 282 empfängt, erzeugt er ein Überhitzungssignal 286 am digitalen Ausgang bzw. der digitalen Ausgangsgröße D4. Das Überhitzungssignal erregt das Relais 287 und der erste Sensor 30 wird von der Quelle 287 mit konstantem Strom getrennt, was ihn vor einem Überhitzungsschaden schützt. Sobald das Relais 287 erregt wird, wartet der Mikroprozessor 210 auf eine Anwendereingabe in die Überwachungs- und Eingabevorrichtung 255, bevor er das Relais 287 zurücksetzt und den ersten Sensor 30 mit der Quelle für konstanten Strom wieder verbindet.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein Flußdiagramm gezeigt, welches ein Computer-Software-Programm zur Implementierung bzw. Einrichtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das in diesem Flußdiagramm abgebildete Programm ist insbesondere gut zur Verwendung mit dem Little Giant Mikroprozessor und den assoziierten oben beschriebenen Komponenten geeignet, obwohl irgendein geeigneter Mikroprozessor bei der Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Diese Flußdiagramme bilden eine vollständige und arbeitsfähige Konstruktion bzw. Zusammenstellung des bevorzugten Software-Programms und sind verkleinert bzw. vereinfacht worden, um auf diesem Mikroprozessorsystem zu laufen. Das Software-Programm kann aus diesen detaillierten Flußdiagrammen leicht codiert werden, und zwar unter Verwendung des Instruktionssatzes, der mit diesem System assoziiert ist, oder kann mit den Instruktionen bzw. Befehlen von irgendwelchen anderen geeigneten herkömmlichen Mikroprozessoren codiert werden. Das Verfahren zum Schreiben von Software-Codes aus Flußdiagrammen wie diesen ist für den Fachmann nur ein mechanischer Schritt.

Im Block 300 beginnt die Software-Routine. Die Programmsteuerung geht zum Block 310, wo der Mikroprozessor 210 den Spannungspegel V₂ am Widerstand R4 ausliest, der proportional zum Widerstand R2 des zweiten RTD-Sensors 85 ist. Die Programmsteuerung geht dann zum Block 320, wo der Mikroprozessor 210 eine Umgebungstemperatur des Abschreckmittels berechnet. Die Umgebungstemperatur des Abschreckmittels ist proportional zur Spannung V₂. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Spannungspegel gemäß der folgenden Gleichung skaliert:

wobei T_amb die Umgebungstemperatur des Abschreckmittels ist.

Die Programmsteuerung geht vom Block 320 zum Block 330. Im Block 330 liest der Mikroprozessor 210 den Spannungspegel V₁ am Widerstand R1 des ersten RTD-Sensors 30. Die Programmsteuerung geht dann zum Block 340. Im Block 340 berechnet der Mikroprozessor 210 den Widerstandswert R1 gemäß der folgenden Gleichung:

R₁ = V₁/K

wobei K der konstante Ausgangsstrom bzw. die konstante Stromausgangsgröße aus dem Spannungsregler 265 ist.

Die Programmsteuerung geht zum Block 350, wo der Mikroprozessor die Temperatur des ersten RTD-Sensors 30 berechnet. Unter Verwendung der Skalierungswerte des speziellen RTD-Sensors verwendet ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel die folgende Gleichung:

wobei T_HTR die Temperatur des ersten RTD-Sensors 30 ist.

Die Programmsteuerung geht dann zum Block 360, wo der Mikroprozessor die elektrische Leistung berechnet, die vom ersten RTD-Sensor 30 verbraucht und daher in Wärme umgewandelt wird. Die folgende wohlbekannte Gleichung bestimmt den Leistungsverbrauch des RTDs:

q = K(V₁)

wobei K die konstante Stromausgangsgröße aus dem Spannungsregler 265 ist, und wobei V₁ der gemessene Spannungsabfall am Widerstand R₁ ist.

Die Programmsteuerung geht dann zum Block 370, wo der Mikroprozessor 210 den Konvektionskoeffizienten des Abschreckmittels berechnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet der Mikroprozessor 210 die folgende Gleichung:

wobei A das Oberflächengebiet der ersten wärmeleitenden Hülle 20 über die Länge des ersten RTD-Sensors 30 ist; und wobei 1,4932 ein Leitungs- bzw. Wärmeleitungsfaktor ist, um den Wärmeverlusten zwischen der Oberfläche des ersten RTD-Sensors 30 und der Oberfläche der ersten wärmeleitenden Hülle 20 Rechnung zu tragen.

Die Programmsteuerung geht dann zum Block 380, wo der Mikroprozessor den berechneten Konvektionskoeffizienten h mit einem vorbestimmten Wert oder Werten vergleicht. Die Programmsteuerung geht dann zum Block 390. Wenn der berechnete Konvektionskoeffizient h außerhalb eines gewünschten bzw. Soll-Bereiches, wie von den vorbestimmten Werten bestimmt ist, dann wird der Mikroprozessor ein Signal auf den Leitungen 220 an die Überwachungsvorrichtung liefern.

Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hier mit Bezug auf eine einzige Sonde 10 beschrieben worden ist, die mit der Überwachung der Schaltung 200 verwendet wird, wird der Fachmann erkennten, daß es keine Begrenzung der Anzahl der Sonden gibt, die verwendet werden können. In Fig. 2 beispielsweise kann die Schaltung 200 bis zu acht Sonden 10 aufnehmen. Diese Sonden würden wahrscheinlich an unterschiedlichen Stellen im Abschrecksystem angeordnet werden, um genauer lokalisierte Auslesungen und Messungen über die Abschreckkühlwirksamkeit zu erhalten. Beispielsweise kann zumindest eine Sonde am Flußeinlaß gelegen sein und sie könnte leicht irgendeine Veränderung des Einlaßflusses aufgrund von Einschränkungen bzw. Engpässen, Blockage oder mechanischem Versagen bestimmen, während andere Sonden in anderen Gebieten des Abschrecksystems gelegen sein könnten.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Abschreckmittelabkühl-Wirksamkeitseinrichtung zur kontinuierlichen Überwachung eines Wärmebehandlungs- Abschrecksystems und ein Betriebsverfahren ist vorgesehen. Die Einrichtung weist vorzugsweise erste und zweite wärmeleitende Hüllen mit darin eingebauten Temperatursensoren auf. Die wärmeleitenden Hüllen sind thermisch voneinander durch eine hitzebeständige Hülle isoliert. Ein Mikroprozessor ist vorzugsweise mit den Sensoren verbunden, legt einen bekannten Strom an einen Sensor an und berechnet die Abkühlungswirksamkeit des Wärmebehandlungs-Abschrecksystems aus der Temperatur der zwei Sensoren und dem bekannten angelegten Strom.

Claims

1. Einrichtung zum Messen der Abkühlwirksamkeit eines Abschreckmittels, die in Kombination folgendes aufweist:
eine erste wärmeleitende Hülle mit einem Hohlraum darin;
einen ersten Temperatursensor, der in dem Hohlraum der ersten wärmeleitenden Hülle eingebaut ist;
eine zweite wärmeleitende Hülle mit einem Hohlraum darin;
einen zweiten Temperatursensor, der in dem Hohlraum der zweiten wärmeleitenden Hülle eingebaut ist; und
eine hitzebeständige Hülle, die zwischen den ersten und zweiten wärmeleitenden Hüllen eingebaut ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Temperatursensoren einen variablen elektrischen Widerstand besitzen, und wobei der elektrische Widerstand eine Funktion einer Temperatur des Sensors ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Temperatursensoren RTD-Sensoren aufweisen.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, welche folgendes aufweist:
einen Mikroprozessor, wobei der Mikroprozessor bewirkt, daß der ersten Temperatursensor Wärme erzeugt, wobei er eine erste Temperatur des ersten Temperatursensors mißt, wobei er eine zweite Temperatur des zweiten Temperatursensors mißt, und wobei er die Abkühlwirksamkeit als eine Funktion einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Temperaturen berechnet.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, die folgendes aufweist:
einen Mikroprozessor, wobei der Mikroprozessor bewirkt, daß der erste Temperatursensor Wärme erzeugt, wobei er eine erste Temperatur des ersten Temperatursensors mißt, wobei er eine zweite Temperatur des zweiten Temperatursensors mißt, und wobei er eine Kühlwirksamkeit als eine Funktion einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Temperaturen berechnet.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Temperatursensoren RTD-Sensoren aufweisen.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei der erste Temperatursensor in dem Hohlraum der ersten wärmeleitenden Hülle unter Verwendung eines thermisch leitenden Epoxidharzes installiert bzw. eingebaut ist, und wobei der zweite Temperatursensor in dem Hohlraum der zweiten wärmeleitenden Hülle unter Verwendung von thermisch leitendem Epoxidharz eingebaut ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei ein thermisch isolierendes Epoxidharz in einem Teil des Hohlraums der zweiten wärmeleitenden Hülle installiert ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, wobei ein thermisch isolierendes Epoxidharz in einem Teil des Hohlraums der zweiten wärmeleitenden Hülle installiert bzw. eingebaut ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten RTD-Sensoren Platin-RTD-Sensoren aufweisen.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, die eine zweite hitzebeständige Hülle aufweist, die an der zweiten wärmeleitenden Hülle angebracht ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei die hitzebeständige Hülle und die zweite hitzebeständige Hülle aus zumindest mit 30% glasgefüllten Polyether-Etherketon gebildet sind.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die hitzebeständige Hülle verschraubbar an der ersten hitzeleitenden Hülle und der zweiten hitzeleitenden Hülle angebracht ist.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei die hitzebeständige Hülle verschraubbar an der ersten wärmeleitenden Hülle und der zweiten wärmeleitenden Hülle angebracht ist, und wobei die zweite hitzebeständige Hülle verschraubbar an der zweiten wärmeleitenden Hülle angebracht ist.

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, die eine mit dem Mikroprozessor verbundene Überwachungsvorrichtung aufweist.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, die eine erste Konditionierungsschaltung aufweist, die mit dem ersten RTD-Sensor assoziiert ist, und eine zweite Konditionierungsschaltung, die mit dem zweiten RTD-Sensor assoziiert ist.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 16, wobei die zweite Konditionierungsschaltung Mittel mit konstantem Strom aufweist, um einen bekannten konstanten Strom an den ersten RTD-Sensor zu liefern.

18. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wobei der Mikroprozessor die Wärmeausgabe des ersten RTD-Sensors gemäß der folgenden Formel berechnet: wobei A das Oberflächengebiet der ersten wärmeleitenden Hülle über die Länge des ersten RTD-Sensors ist; und wobei B ein Leitungsfaktor ist, um den Wärmeverlusten zwischen der Oberfläche des ersten RTD-Sensors und der Oberfläche der ersten wärmeleitenden Hülle Rechnung zu tragen.

19. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wobei die zweite Konditionierungsschaltung einen Multiplexer aufweist, der zwischen dem Mikroprozessor und den RTD-Sensor verbunden ist.

20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, die eine Abschaltschaltung aufweist, die elektrisch mit dem ersten Temperatursensor und dem Mikroprozessor verbunden ist.

21. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 20, wobei die Abschaltschaltung ein Übertemperatur- bzw. Überhitzungssignal erzeugt, wenn die erste Temperatur größer als eine vorbestimmte Temperatur ist.

22. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 21, wobei die erste vorbestimmte Temperatur eine Funktion eines Spannungspegels an einer Zener-Diode ist.

23. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zur Überwachung der Wirksamkeit eines Abschreckmittels, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Messen einer ersten Temperatur eines ersten Temperatursensors;
Messen einer zweiten Temperatur eines zweiten Temperatursensors;
Bewirken, daß der erste Temperatursensor Wärme erzeugt; und
Berechnen des Konvektionskoeffizienten des Abschreckmittels.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die ersten und zweiten Temperatursensoren RTD-Sensoren sind.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 24, wobei der Schritt des Bewirkens, daß der erste Temperatursensor Wärme erzeugt, den Schritt aufweist, einen bekannten elektrischen Strom an den ersten Temperatursensor anzulegen.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 25, welches einen Schritt aufweist, eine Wärmeabgabe des ersten Temperatursensors zu berechnen.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Messens der Temperatur der ersten und zweiten Temperatursensoren den Schritt aufweist, einen Widerstand der ersten und zweiten RTD-Sensoren zu messen, die Spannungen an den ersten und zweiten RTD-Sensoren zu messen, und eine erste und zweite Temperatur der ersten und zweiten RTD-Sensoren zu berechnen.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 27, welches den Schritt aufweist, die erste Temperatur mit einer vorbestimmten Temperatur zu vergleichen, und die Überwachungseinrichtung ansprechend darauf abzuschalten, daß die erste Temperatur die vorbestimmte Temperatur überschreitet.