CN101268719B - 用于监测电加热装置的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监测电加热装置(1，3)的方法和一种相应的设备。所述电加热装置(1，3)具有至少一个加热元件(5，6，7，8，9，10)。测量与所述电加热元件(5，6，7，8，9，10)的电阻和/或电感相关的测量值，其中，所述测量通过对所述测量值进行采样而实现。通过使用采样值可缩短测量时间。

Description

用于监测电加热装置的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种监测电加热装置的方法，所述电加热装置具有至少两个加热元件。为能确定加热元件的(例如)加热效应或故障情况，需要对流过加热元件的加热电流进行监测。举例而言，这一点对于发生在塑料注射成型机模具高温流体通道(热通道)内的塑料熔化过程而言特别重要，因为由加热元件加热熔化的塑料若在此处发生程度较小的温度偏差，就会使塑料熔液的材料特性受到影响。这会对用于制备塑料件的塑料注射成型机的注射过程产生不利影响。在塑料注射成型机中，塑料颗粒既在预塑化单元，也在安装在预塑化单元后面的塑化单元内接受熔化处理。模具内可能存在用于保持塑料熔液温度的热通道。这类塑化单元和热通道具有由零点转换半导体继电器(电流继电器)供电的加热元件，其中，通过调节由加热元件传导的电流可对温度进行调节。具有加热元件的电加热装置的其他应用领域例如有空调设备和用于化学过程的加热设备，其中，也可用电加热***对用于化学过程的反应室进行温度调节。
背景技术
如果电加热***(即电加热装置)所应用的领域要求极为精确的温度调节，就须持续对电加热***的加热效应进行精确监测。当然，这种监测不仅实现成本应该低，其结果也应该可靠。此外，对灵敏区域的测量应在迅速且不影响温度调节过程及质量的情况下进行。这一点主要指热通道而言。
一种已知的解决方案是用总和电流互感器来测量交流电的均方根值。进行总和电流调节时，对电加热***的总和电流(即各电加热元件的总和电流)进行测量和分析。这种处理方式的优点在于技术投入不大。但使用总和电流调节器的缺点在于，在温度调节过程中，所有加热元件均处于工作状态，因而只能对全体加热元件的功能进行检验，而无法对加热元件进行单独检验。如果需要进行单独检验，就须针对性地接通个别加热元件，而其他所有通道都须关闭。这会对调节过程产生不利影响，因为待加热材料可能会在这段时间内发生冷却。在调节对象反应迅速以及处理对象为温敏材料的情况下，这一问题会特别突出。
通过单个电流检测可对加热电流进行迅速、有效的监测。这是一种不会对温度调节过程产生不利影响的可靠的监测方法。但其缺点在于投入较大，因为电加热***的每个加热元件都须配备传感器(例如电流互感器)。
发明内容
已知的电加热装置监测方法都存在一定的不足之处。本发明的目的是提供一种有所改进的电加热装置监测方法和一种有相应改进的设备。
本发明的方法用于对电加热装置进行监测，其中，所述电加热装置具有至少一个加热元件。所述电加热装置例如用于熔化塑料、用于为注射成型模具中所包含的热通道调节温度、用于加热液体或用作楼房的供暖***。由于塑料注射成型机对可控电加热装置的控制质量具有较高要求，因此，将本发明应用于这种机器，是有利的。
对具有至少一个加热元件的电加热装置进行监测的方法是测量与电加热元件的电阻和/或电感相关的测量值，其中，这种测量通过对所述测量值进行快速采样而实现。将提供可测量信号的无源电流互感器用作传感器。对未经矫正的测量信号的采样通过高速模/数转换器而实现，所述高速模/数转换器可对交流电的电流包络进行采样。
通过对测量值(例如为电流或电压)进行采样，可记录测量值的信号特性。这样就无需再对信号进行矫正，也无需通过锯齿法进行持续时间较长的模拟值转换，这种模拟值转换需要一秒或一秒以上的持续接通时间。在此情况下，可用一个测量设备测量不同加热元件的测量值。此外还可在持续接通时间较短的情况下对加热电流进行测量。
如果电加热装置具有至少两个加热元件，并且可借助一个测量设备对至少两个加热元件的与电加热元件的电阻和/或电感相关的测量值进行共同测量，就可有利地在控制过程中检测总和电流的电流包络，并将这个电流包络与总和电流的额定值相比较。通过将刚被控制设备接入的加热电流的单个电流相加，就可得到总和电流的额定值，其中，通过(例如)训练过程(Teachen)可对所述单个电流加以检测。这个信息由控制设备实时传输给监测设备。这一信息传输过程优选地通过控制单元与监测设备之间的长度较短的高速同步连接而实现。这样就无需再针对性地接通或断开单个控制器来进行上述测量。
如果需要对至少一个加热元件的通电情况进行全部或部分调节，就在交流电的一个半波或少数几个半波内进行，其中，将测量到的值与比较值相比较。通过对加热元件的通电情况进行调节，就只需记录一个加热元件的测量值。通过为待测量值使用采样值，就无需再将加热元件断开好几秒钟的较长时间。
如果为加热元件供给的是交流电，一个或多个半波的时间就足以用来进行测量。其优点在于，监测并不会对温度调节产生影响，其中，电加热装置是这种温度调节的执行器。通过调节，可以按不同的顺序、不同的组合方式将加热元件接通和断开不同的时间长度。在此情况下，个别加热元件会以不规则的时间间隔处于断开的工作状态。监测设备可通过对存储的加热元件的工作状态和存储的测量值进行分析来用排除法测定故障加热元件。
此外，为了对电加热装置(也是一种设备，也可称为“电加热***”)进行监测，有利地在至少两个加热元件中对与电加热元件的电阻和/或电感相关的值进行共同测量，随后再将测量值与比较值相比较。电加热元件的与电阻相关的值例如是电压值为已知情况下的电流或电流值为已知情况下的电压。对与电加热装置的电阻或电感相关的值的共同测量主要通过用于测量电流或电压的共用传感器而实现。这个测量到的值由处理设备加以处理，其中，所述处理设备特别为一监测设备，例如是一控制设备或调节设备。举例而言，这种处理通过将测量值或不同的测量值与所存储的额定值相比较而实现。
也可将第一电加热元件的测量值与第二电加热元件得测量值相比较，其中，假定相同电加热元件的测量值彼此间并不存在明显偏差。
如果偏差大于预定的最大差值，就产生报警或故障信号。这种比较例如在用于温度调节的控制或调节设备内进行。为了对电加热***和各电加热元件的常规功能进行监测，最好在毫秒范围内进行单值测量。但也可以在为加热元件供给交流电或交流电压的情况下，对电流或电压的精确的时间特性进行测量。为此，在控制或调节设备中使用高速模拟量输入端来提供传感器所记录的测量值，是有利的。通过为控制或调节设备(可根据采样定理实现测量点的测量)配备传感器和模拟量输入端，就可通过短时测量对个别电加热元件进行监测。通过在较短的接通时间内进行快速的电流特性测量，也可在机器处于跑合状态时借助高速加热电流在不影响调节过程的情况下进行可靠的测量。
本发明的方法的一种有利建构方案是使测量与触发信号同步。通过使测量与触发信号同步可获得可重复的测量结果。举例而言，交流电或交流电压的过零交叉就是一种触发信号。
根据所述方法的另一建构方案，为能在不影响其他电加热元件组的情况下对个别电加热元件或一组电加热元件进行监测，在测量过程中对至少一个加热元件或一组加热元件的通电情况进行全部或部分调节。如果使用触发信号，从某一时间点开始就可进行测量，在这一测量过程中对一部分电加热元件的通电情况进行调节。这一点(例如)在通电过程中借助变流器通过关断变流阀或通过对继电器进行控制而实现。
如果用至少两个电相来为电加热元件供电，就可有利地为其中一个相设置(例如)传感器，其中，借助一个相可为两个或多个电加热元件供电。电加热元件之间的连接方式或者为串联，或者为并联。
如果为两个电相使用一个传感器来进行测量，则在测量第一相中的电流时，第二相上的电流可得到抑制。
根据所述方法的一种有利建构方案，所述方法用于对加热元件进行监测，所述加热元件用于熔化塑料或用于为模具中的热通道调节温度。这一建构方案主要涉及所述方法在塑料注射成型机中的应用。对于这类机器而言，能否对塑料熔液进行精确的温度调节特别重要，因为温度对塑料熔液的材料特性具有很大影响，因而也会对塑料注射成型机所制备的塑料注射成型件产生很大影响。
一种有利的建构方案是用监测设备来进行监测，这种监测设备具有一个用于检测加热电流的智能装置，其中，这个智能装置获得有关在塑料注射成型机中一个加热装置的哪些区段被接通或断开的信息。因此，在塑料注射成型机中，一个电加热装置的区段可以按一定的时间节奏进行接通或断开(ein-und austaktbar)。电加热装置的一个区段具有至少一个加热元件。
举例而言，监测设备可实施为以几毫秒为间隔对输入电流(即在零点转换的交流电)进行快速采样。每个接通的热波都可加以测量。这样就可省去内置式转换器的起振过程。
在进一步的处理步骤中，监测设备将额定总和加热电流与实际总和加热电流进行实时比较。为此，监测设备获得有关按一定的时间节奏接通或断开加热电流的信息。这一点可借助***总线(例如PROFIBUS总线)而实现。额定值也存储在监测设备内部。***可获取这一信息。每个调节过程都可加以监测。这一点可确保迅速发出故障信号。只有在故障情况下才需对电加热***的区段个别地按一定的时间节奏进行接通或断开，以便对故障区段进行定位。在此过程中，温度调节器或温度调节装置既不会受到影响，也不会被打断。这一点之所以可以实现的原因主要在于使用较短的测量时间。
因此，借助本发明的方法可简单地通过使用采样值来进行监测。此外，通过所述方法可实现快速而可靠的监测，其原因在于可以进行实时测量。另一有利之处在于，由于为了电流监测，可以专门对电加热装置的区段按一定的时间节奏进行接通或断开，因此，调节质量不会受到不利影响。
根据一种有利建构方案，通过对用于控制温度的加热***的电加热元件按一定的时间节奏进行接通或断开来同时监测这些电加热元件。
根据所述方法的另一建构方案，监测设备与调节和/或控制设备相连，以进行数据传输。调节和/或控制设备用于调节或控制温度。为实现这一过程，借助这个设备将加热元件接通和/或断开，或者为其提供不同的额定电流强度。也就是说，借助调节和/或控制设备可确定总和电流测量的额定值。将这个额定值与测量到的实际值相比较。由于通过调节和/或控制设备还可确定及存储加热元件的通电时间顺序，因而可通过对测量值的额定值和实际值进行与时间相关的逻辑比较来实现监测。可以借助逻辑排除法通过对以不同方式进行组合的接通的加热元件进行测量来测定加热元件的故障。
下面对此进行举例说明：本示例所涉及的加热装置具有五个加热元件1至5。在加热元件3发生故障的情况下，可通过下列测量发现这一情况，其中，只用一个传感器进行所有的测量，借助这个传感器同时对所有加热元件的电流进行检测。
·在加热元件1和2为接通的加热元件的情况下，进行电流测量：实际值＝额定值(加热元件1和2正常)
·在加热元件3和5为接通的加热元件的情况下，进行电流测量：实际值≠额定值(从这次测量中无法看出究竟是加热元件3还是加热元件5发生了故障)
·在加热元件1和4为接通的加热元件的情况下，进行电流测量：实际值＝额定值(加热元件4也正常)
·在加热元件3和4为接通的加热元件的情况下，进行电流测量：实际值≠额定值(通过这次测量可以发现加热元件3发生了故障，因为之前已经确定加热元件4正常)。
通过用于调节和/或控制加热元件的调节和/或控制设备15与监测设备之间有关接通的加热元件的数据交换，以及通过对已确定良好状态和已确定不良状态(实时采集并存储)进行逻辑运算，可以得出有关一个或多个加热元件的良好状态或不良状态(即故障)的结论。这种逻辑运算例如在监测设备中进行。监测设备可全部或部分内置于调节和/或控制设备中。
上述示例中加热元件的接通顺序与调节和/或控制设备有关，优选地，不受监测设备的影响。
本发明的用于监测电加热装置的设备包括一个用于对测量值进行采样的传感器，其中，电加热装置具有一个加热元件或至少两个彼此并联或可单独通电的加热元件，测量值与电加热元件的电阻和/或电感有关。
根据本发明用于监测电加热装置(具有至少两个彼此并联或可单独通电的加热元件)的设备的另一建构方案中，设置有用于对两个加热元件的一个值进行共同测量的传感器，该值与电加热元件的电阻和/或电感相关。其中，如果可用至少两个继电器为至少两个加热元件分别供电，是有利的。优选地，用一个相应的装置实施上述方法中的其中一种方法。
所述设备可进行如下扩展：监测设备以可传输数据的方式与调节和/或控制设备相连，其中，调节和/或控制设备用于调节和/或控制加热元件，数据传输涉及的是有关加热元件的接通状态顺序的数据。
将所述方法和所述设备应用于塑料注射成型机，是特别有利的。正是在塑料注射成型机中需要进行准确及精确的温度调节和监测，以便达到改善所生产的塑料产品品质的目的。
附图说明
下面通过实施例描述对本发明的优点和细节作进一步说明，其中：
附图为塑料注射成型机中的电加热装置。
具体实施方式
附图显示的是一个象征性地加以图示的塑料注射成型机20的注射单元25。注射单元25具有注射活塞26。注射活塞26可在直线驱动单元27的作用下在活塞式液压缸28中进行直线移动。根据附图所示，注射装置与塑化装置彼此分开。进行塑化时，可借助漏斗29向螺杆31输送(例如)塑料颗粒30。通过螺杆31可朝螺杆梢32方向输送塑料颗粒30。在输送粒料30的过程中，可借助电加热装置1将粒料熔化。在本实施例中，电加热装置1具有三个加热元件5、6和7。通过电连接线11可为每个电加热元件5、6和7供电。借助传感器12可对流过电连接线的电流进行测量。传感器12连接在监测设备14上。这个监测设备14将测量到的电流实际值与所存储的额定值相比较。如果其中一个加热元件5、6或7的加热盘管在故障情况下烧穿，就可通过实际值与额定值的比较确定这一故障。监测设备14通过数据链路以可传输数据的方式与调节和/或控制设备15相连。调节和/或控制设备15自身又通过数据链路41与继电器19相连。继电器19连接在三相交流电43上。
加热装置在塑料注射成型机中也用作模具加热装置或喷嘴加热装置。但附图未对这些加热装置进行图示。
由电加热装置1加热熔化的塑料颗粒通过螺杆31的旋转运动进入熔料存储器34。螺杆31可持续工作，因为熔料可暂存在熔料存储器34内，并通过熔料存储器34被输送到活塞式液压缸内。这一点之所以可以实现的原因在于，熔料存储器34的尺寸可在存储器活塞36的作用下发生变化(即变大或缩小)。当熔料存储器34缩小时，熔料就从存储器开口38被压入活塞式液压缸28内。活塞式液压缸28区域内布置有一个可对熔料进行进一步加热的其他电加热装置3。根据有利方案，螺杆31持续向熔料存储器34输送塑料熔液，直到注射活塞26完成注射和增压过程为止。再次进行注射过程时，需借助存储器活塞36再次向活塞式液压缸28内压入熔料。
电加热装置3与电加热装置1一样具有多个加热元件8、9、10。电加热元件8、9、10通过电连接线11连接在继电器16、17和18上，其中，这些继电器各具有一个交流端子42。根据有利方案，这些继电器16、17和18是半导体继电器，因为半导体继电器可实现快速的操作过程和频繁的操作状态转换。也可用变流器代替继电器。监测设备14可有利地内置于用于控制继电器16、17和18的调节和/或控制设备15中。也可将调节和/或控制设备内置于一个或多个变流器或继电器中，但附图并未对此进行图示。附图对电加热装置1的继电器只是进行了整体上的象征性图示。
可简单地借助双位控制器对继电器16、17和18进行控制。继电器16、17和18与用于测量电连接线11内的电流的传感器12相连。通过传感器12不仅可对流过继电器16、17和18的电流进行控制(因为传感器12检测其实际值)，还可对加热元件8、9、10的功能可靠性进行控制。如果有加热元件8、9、10发生故障，其额定电阻就会不同于实际电阻(根据测量到的实际值计算得出)。对电加热装置3的加热元件8、9、10的监测功能整合在一个或多个继电器16、17或18中。每个加热元件8、9、10均用于加热一个特定区域22、23和24。加热过程以受控方式进行，其中，在加热温度的调节过程中，可保持较高的调节质量。为避免调节质量受到不必要的不利影响，只在交流电的一个半波或少数几个半波的时间内执行监测功能，对加热元件5、6、7、8、9和10的功能进行监测。在执行监测功能的过程中，只为一个加热元件通电，因此，传感器12只测量这个通电加热元件5、6、7的测量值。也就是说，只需使用一个传感器12就可对多个加热元件5、6、7进行监测(参见有关电加热装置1的图示)。

Claims (10)

1.一种监测电加热装置(1，3)的方法，所述电加热装置具有至少两个电加热元件(5，6，7，8，9，10)，其中，对至少两个电加热元件(5，6，7，8，9，10)的与所述加热元件的电阻和/或电感相关的一测量值进行共同测量，其中，通过对所述测量值进行采样而实现所述测量，
其特征在于，
所述测量在交流电的一个半波或少数几个半波的时间内进行，并在所述测量期间对至少一个电加热元件(5，6，7，8，9，10)的通电情况进行全部或部分调节，随后再将测量得到的值与一比较值相比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述测量与一触发信号同步。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
用至少两个电相来为所述加热元件(5，6，7，8，9，10)供电，共同测量到的值涉及至少两个电相，在进行所述测量的过程中，只有一个电相通电。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述加热元件(5，6，7，8，9，10)用于熔化塑料，这涉及在塑料注射成型机(2 0)中的应用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
监测设备(14)与调节和/或控制设备(15)相连，以进行数据传输，所述调节和/或控制设备(15)用于调节和/或控制所述加热元件(8，9，10)，其中，调节和/或控制数据用于监测。
6.一种用于执行权利要求1所述的监测电加热装置(1，3)的方法的设备，所述电加热装置具有一个加热元件(5，6，7，8，9，10)或至少两个彼此并联的电加热元件(5，6，7，8，9，10)或可单独供电的电加热元件(5，6，7，8，9，10)，
其特征在于，
设置有一个用于测量与所述电加热元件(5，6，7，8，9，10)的电阻和/或电感相关的值的传感器，其中，进一步设置有一个用于进行所述测量的瞬时值转换器(12)，并提供有一能够根据采样定理实现测量点的测量的调节和/或控制设备，所述调节和/或控制设备设置有传感器和模拟量输入端，以通过在交流电的一个半波或少数几个半波的时间内的测量对个别电加热元件进行监测。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
至少两个加热元件(5，6，7，8，9，10)可由至少两个继电器(16，17，18)分别供电。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，
一监测设备(14)与调节和/或控制设备(15)相连，以进行数据传输，所述调节和/或控制设备(15)用于调节和/或控制所述加热元件(8，9，10)。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
所述设备用于实施根据权利要求1所述的方法。
10.一种塑料注射成型机(20)，所述塑料注射成型机具有根据权利要求6所述的设备。
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