Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Verschleisses der als Düse mit einer Austrittsöffnung ausgebildeten Anode eines WasserdampfPlasmabrenners, wobei durch die Austrittsoffnung ein Gas austritt, welches durch Verdampfen einer über eine Zuleitung zugeführten Flüssigkeit mittels einer Heizeinrichtung und einem Verdampfer gebildet wird, wobei die Düse durch eine Vergrösserung der Austrittsöffnung verschlissen wird und dadurch die Durchflussmenge der Flüssigkeit erhöht wird.
Aus dem Stand der Technik, insbesondere der EP 1 522 371 AI, ist bekannt, dass in einem Plasmabrenner eine Vielzahl von Sensoren angeordnet werden kann, welche beispielsweise die Temperatur oder die Spannung erfasst. Dabei sind die einzelnen Sensoren mit einem Prozessor im Plasmabrenner verbunden, welcher wiederum über eine Datenleitung mit dem Prozessor in der Stromquelle verbunden ist.
Somit kann der Schneidprozess aufgrund der von den Sensoren gelieferten Messwerte geregelt werden.
Nachteilig ist hierbei, dass mit jedem im Plasmabrenner eingebauten Sensor sowie mit der Integration des Prozessors und der damit verbundenen Elektronik die Baugrösse des Plasmabrenners steigt. Dadurch wird die Handhabung des Plasmabrenners zumindest teilweise verschlechtert. Ebenso wird durch den Einsatz von empfindlicher Elektronik im Plasmabrenner die Gefahr von Störungen erhöht.
Des Weiteren ist aus der EP 1 522 371 AI keine technische Lösung zur Verschleisserkennung beschrieben.
Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass in einem Brenner eines Wasserdampf-Schneidgerätes die Temperatur eines Verdampfers, welcher eine Flüssigkeit verdampft, geregelt wird.
Nachteilig ist hierbei, dass die über den Lichtbogen in eine Kathode eingebrachte Wärme die Temperaturregelung des Verdampfers auf unvorhersehbare Weise beeinflussen kann, da die von der Kathode eingebrachte Wärme bei der Temperaturregelung des Verdampfers nicht berücksichtigt wird. Dadurch kann der Brenner gegebenenfalls überhitzen und zerstört werden.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Erkennung des Verschleisses bei einem Wasserdampfplasmabrenner.
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe durch ein oben genanntes Verfahren, wobei die Leistung des Heizelements erfasst wird und die von der Durchflussmenge der Flüssigkeit abhängige Heizleistung zur Beurteilung des Verschleisses der Düse herangezogen wird.
Durch die Verschleisserkennung ist der Steuervorrichtung im Wesentlichen ständig der Zustand der Verschleissteile, also Kathode und Düse, bekannt, wodurch die Verschleissteile bis zum vollständigen Verbrauch eingesetzt werden können. Dabei ist selbstverständlich eine gleichbleibende Qualität des Schneidprozesses gewährleistet.
Dem Benutzer des Wasserdampfplasmabrenners kann-, der Verschleiss entsprechend angezeigt werden, so dass ein Wechsel der verschlissenen Teile rechtzeitig erkannt wird. Dadurch wird die Gefahr der Zerstörung des Wasserdampfplasmabrenners, beispielsweise durch Überhitzung, wesentlich minimiert und somit die Haltbarkeit des Brenners wesentlich verlängert.
Durch die frühzeitige Verschleisserkennung wird auch in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Stabilität bzw. die Qualität des Schneidprozesses nicht beeinträchtigt wird.
Vorteilhafterweise wird die Heizleistung über die der heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung bestimmt.
Alternativ dazu kann die Heizleistung der Heizeinrichtung auch in Abhängigkeit zumindest einer Temperatur geregelt werden.
Dabei kann die Heizleistung der Heizeinrichtung in Abhängigkeit der Temperatur in einer Kolbenstange und der Temperatur im Verdampfer geregelt werden.
Vorteilhafterweise wird der Verschleiss der Düse an einer Anzeige dargestellt .
Die erfasste Heizleistung der Heizeinrichtung wird vorzugsweise mit in der Steuervorrichtung hinterlegten Referenzwerten für die Heizleistung verglichen.
Dabei können die Referenzwerte der Heizleistung in Abhängigkeit der Stromstärke
hinterlegt werden und die Stromstärke bei der Beurteilung des Verschleisses der Düse berücksichtigt werden.
Weitere Vorteile zu den Ansprüchen können aus der Beschreibung entnommen werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 eine exemplarische Darstellung eines Wasserdampf-Schneidgerätes;
Fig. 2 ein Schnittbild durch eine Ausführungsform eines Wasserdampfplasmabrenners; und
Fig. 3 ein Schnittbild durch einen Wasserdampfplasmabrenner mit einem Temperatursensor in der Kolbenstange.
Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile des Ausführungsbeispiels mit gleichen Bezugszeichen versehen werden.
Fig. 1 zeigt ein Wasserdampf-Schneidgerät 1 mit einem Grundgerät 2 für ein Wasserdampf-Schneidverfahren.
Das Grundgerät 2 umfasst eine Stromquelle 3, eine Steuervorrichtung 4 und ein der Steuervorrichtung 4 zugeordnetes Sperrelement 5. Das Sperrelement 5 ist mit einem Behälter 6 und einem Wasserdampfplasmabrenner 7 über eine Versorgungsleitung 8 verbunden, so dass der Wasserdampfplasmabrenner 7 mit einem im Behälter 6 angeordnetem flüssigen Medium bzw. einer Flüssigkeit 9, versorgt werden kann. Die Versorgung des Wasserdampfplasmabrenners 7 mit elektrischer Energie erfolgt über Leitungen 10, 11, welche mit der Stromquelle 3 verbunden sind.
Zum Kühlen des Wasserdampfplasmabrenners 7 ist dieser über einen Kühlkreislauf 12 allenfalls unter Zwischenschaltung eines Strömungswächters 13 mit einem Flüssigkeitsbehälter 14 verbunden.
Bei der Inbetriebnahme des Brenners 7 bzw. des WasserdampfSchneidgerätes 1 kann der Kühlkreislauf 12 von der Steuervorrichtung 4 gestartet und somit eine Kühlung des Brenners 7 über den Kühlkreislauf 12 erreicht werden. Zur Bildung des Kühlkreislaufs 12 wird der Brenner 7 über Kühlleitungen 15, 16 mit dem Flüssigkeitsbehälter 14 verbunden.
Weiters kann das Wasserdampf-Schneidgerät 1 eine Eingabeund/oder Anzeigevorrichtung 17 aufweisen, über welche die unterschiedlichsten Parameter bzw. Betriebsarten des WasserdampfSchneidgerätes 1 eingestellt und angezeigt werden können.
Die über die Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 17 eingestellten Parameter werden an die Steuervorrichtung 4 weitergeleitet, welche die einzelnen Komponenten des Wasserdampf-Schneidgerätes 1 entsprechend ansteuert.
Weiters kann der Wasserdampfplasmabrenner 7 zumindest ein Bedienungselement 18, insbesondere einen Taster 19, aufweisen. Über das Bedienungselement 18, insbesondere den Taster 19, kann der Benutzer durch Aktivieren und/oder Deaktivieren des Tasters 19 der Steuervorrichtung 4 vom Brenner 7 aus mitteilen, dass ein Wasserdampf-Schneidverfahren gestartet bzw. durchgeführt werden soll. Des Weiteren können an der Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 17 beispielsweise Voreinstellungen getroffen werden, insbesondere das zu schneidende Material, die verwendete Flüssigkeit und beispielsweise Kennlinien des Stromes und der Spannung vordefiniert werden.
Selbstverständlich können weitere Bedienelemente am Brenner 7 angeordnet sein, über die ein oder mehrere Betriebsparameter des Wasserdampf-Schneidgerätes 1 vom Brenner 7 aus eingestellt werden. Hierzu können diese Bedienelemente direkt über Leitungen oder über ein Bussystem mit dem Wasserdampf-Schneidgerät 1, insbesondere dessen Steuervorrichtung 4, verbunden sein.
Die Steuervorrichtung 4 aktiviert nach dem Betätigen des Tasters 19 die einzelnen für das Wasserdampf-Schneidverfahren benötigten Komponenten. Beispielsweise werden zuerst eine Pumpe (nicht dargestellt) , das Sperrelement 5 sowie die Stromquelle 3 angesteuert, wodurch eine Versorgung des Brenners 7 mit der Flüssigkeit 9 über die Versorgungsleitung 8 sowie die Versorgung mit elek trischer Energie eingeleitet wird.
Anschliessend aktiviert die Steuervorrichtung 4 den Kühlkreislauf 12, so dass eine Kühlung des Brenners 7 ermöglicht wird. Selbstverständlich kann die Versorgung des Brenners 7 mit der Flüssigkeit 9 auch die Kühlung des Brenners 7 gewährleisten, da ja erst im Brenner 7 die Flüssigkeit 9 auf die für einen Schneidprozess erforderliche Temperatur erhitzt wird. Demnach könnte der Kühlkreislauf 12, welcher den Strömungswächter 13, den Flüssigkeitsbehälter 14 und die Kühlleitungen 15, 16 umfasst, entfallen. Durch die Versorgung des Brenners 7 mit der Flüssigkeit 9 und mit elektrischer Energie wird nunmehr im Brenner 7 die Flüssigkeit 9 mit einer entsprechend hohen Temperatur in ein Gas 20, insbesondere in ein Plasma, umgewandelt. Mit dem aus dem Brenner 7 ausströmenden Gas 20 kann ein Schneidprozess an einem Werkstück 21 durchgeführt werden.
Dabei erfolgt die Umwandlung der Flüssigkeit 9 in das Gas 20 zumindest mit Hilfe einer Heizeinrichtung 22, welche bevorzugt durch ein entsprechendes Heizelement gebildet ist, und einen Verdampfer 23, welche bevorzugt im Brenner 7 integriert sind.
Für einen Schneidprozess an einem Werkstück 21 mit dem Brenner 7, welcher detailliert in Fig. 2 dargestellt ist, ist zusätzlich ein Lichtbogen 33 erforderlich. Der Lichtbogen 33 wird von der Steuervorrichtung 4 bzw. durch Betätigen des Tasters 19 gezündet und brennt zwischen einer Kathode 24, welche mit einer Kolbenstange 25 verbunden und so im Brenner 7 integriert und bevorzugt mit dem negativen Pol der Stromquelle 3 verbunden ist, und einer Anode, welche durch eine Düse 26 gebildet wird und mit dem positiven Pol der Stromquelle 3 verbunden ist.
Nähert sich der Brenner 7 dem Werkstück 21, wird der positive Pol der Stromquelle 3 von der Düse 26 weggeschaltet, wodurch der Lichtbogen 33 durch das Gas 20 entsprechend durch eine Austrittsöffnung 27 in der Düse 26 nach aussen getrieben wird und somit zwischen der Kathode 24 und dem Werkstück 21 brennt. Dazu wird das Werkstück 21 mit dem positiven Pol der Stromquelle 3 verbunden. Brennt also der Lichtbogen 33 zwischen Kathode 24 und Werkstück 21, wird von der Steuervorrichtung 4 der Strom entsprechend erhöht, und schliesslich ein Plasmastrahl mit so hoher Energiedichte erzeugt, der zum Aufschmelzen und somit Schneiden von Werkstücken 21 verwendet werden kann.
Beim Trennen eines Werkstücks 21 mit Hilfe eines Wasserdampfplasmabrenners 7 sind einige Komponenten, insbesondere die Kathode 24 und die Düse 26, sehr hohen Temperaturen und einem hohen Strom ausgesetzt und somit einem hohen Verschleiss unterworfen. Die Qualität eines Schneidvorgangs hängt stark vom Verschleissgrad der Verschleissteile ab. Daher ist für die Qualitätskontrolle eine im Brenner 7 integrierte Verschleisserkennung vorteilhaft.
Die Verschleisserkennung kann über zumindest einen in der Kolbenstange 25 integrierten Temperatursensor 28. Der Temperatursensor 28 liefert die erfasste Temperatur bevorzugt an die Steuervorrichtung 4, welche anhand der Temperaturänderungen Rückschlüsse auf den Verschleiss der Verschleissteile ziehen kann.
Durch eine derartige Verschleisserkennung kann auch der Brenner 7 vor einer thermischen Überlastung bewahrt werden.
In Fig. 3 ist ein Brenner 7 mit dem Temperatursensor 28 in der Kolbenstange 25 dargestellt. Die Kolbenstange 25 und somit auch die Kathode 24 sind im Brenner 7 beweglich gelagert. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass der Temperatursensor 28 derart in der im Wesentlichen zylinderförmigen Kolbenstange 25 angeordnet wird, dass dieser die Bewegungen der Kolbenstange 25 und der damit verbundenen Kathode 24 nicht einschränkt. Deshalb weist der Temperatursensor 28 bevorzugt eine stabförmige Form auf. Bevorzugt ist der Temperatursensor 28 durch einen Halbleiterwiderstand, beispielsweise einen PTC (positvie temeperature coefficient) -Widerstand, wie einen PT100, gebildet.
Ebenso ist es möglich, einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, einen so genannten NTC (negative temperature coefficient) Widerstand zu wählen. Selbstverständlich kann der Temperatursensor 28 auch durch ein Thermoelement oder dgl. gebildet sein.
Zur Aufnahme des Temperatursensors 28 in der Kolbenstange 25 weist diese eine zur Form des Temperatursensors 28 korrespondierende Ausnehmung 29 bzw. Bohrung auf. Die Ausnehmung 29 ist im Randbereich der Kolbenstange 25 angeordnet, so dass der Platzbedarf für die für die Bewegung der Kolbenstange 25 erforderlichen Elemente (beispielsweise eine Feder) nicht eingeschränkt wird. Des Weiteren verläuft die Ausnehmung 29 bevorzugt parallel zur Längsachse der Kolbenstange 25 und im Wesentlichen bis zur Kathode 24.
Bevorzugt ist dabei der Temperatursensor 28 in die Ausnehmung 29 eingeklemmt bzw. eingepresst und allenfalls eingeklebt.
Damit der Temperatursensor 28 die erfasste Temperatur an die Steuervorrichtung 4 übermitteln kann, weist der Temperatursensor 28 elektrische Anschlüsse 30 auf. Diese Anschlüsse 30 werden durch einen Durchlass 31 im Bereich der Befestigung der Kolbenstange 25, welcher sich gegenüber der Kathode 24 befindet, nach aussen geführt und können mit der Steuervorrichtung 4 verbunden werden.
Selbstverständlich stellt der Durchlass 31 keine Behinderung für die beweglich gelagerte Kolbenstange 25 dar.
Mit einem derartig angeordneten Temperatursensor 28 kann der Verschleiss der Kathode 24 und der Düse 26 erkannt werden.
Die Verschleisserkennung der Kathode 24 kann wie folgt durchgeführt werden.
Bei einem Schneidprozess brennt der dazu erforderliche Lichtbogen 33 zwischen der Kathode 24 und dem Werkstück 21. Bevorzugt bildet sich der Lichtbogen 33 in der Mitte der Kontaktfläche der Kathode 24, wobei an dieser Stelle bevorzugt ein Stift bzw. Bolzen 32, beispielsweise aus Hafnium, in die Kathode 24 gepresst ist. Dies bewirkt durch die elektronenemittierenden Eigenschaften von Hafnium, oder beispielsweise auch Zirkonium oder dgl., dass der Lichtbogen 33 direkt am Bolzen 32 ansetzt. Dadurch ist ein stabiler Lichtbogen 33 für den Schneidprozess gewährleistet.
Durch den fortlaufenden Betrieb des Brenners 7 bzw. des Wasserdampf-Schneidgerätes 1 wird allerdings der Bolzen 32 zunehmend verschlissen und durch den Lichtbogen 33 ein tieferer Einbrand im Bolzen 32 bewirkt und somit mehr Leistung bzw. Wärme in die Kathode 24 eingekoppelt. Da die Kathode 24 thermisch mit der Kolbenstange 25 verbunden ist, sprich mit dieser beispielsweise über eine Schraubverbindung verbunden ist, resultiert eine entsprechende Temperaturerhöhung in der Kolbenstange 25. Diese Temperaturerhöhung, beispielsweise von etwa 160[deg.]C auf etwa 180[deg.]C, wird über den Temperatursensor 28 und die Steuervorrichtung 4 erfasst. In der Steuervorrichtung 4 sind entsprechende Referenzdaten bzw. Referenzwerte für die Temperaturerhöhung hinterlegt, so dass aufgrund der Temperaturerhöhung ein Rückschluss auf den Verschleiss der Kathode 24 erfolgen kann.
Da die vom Temperatursensor 28 erfasste Temperatur zumindest teilweise von der Anordnung des Temperatursensors 28 abhängt, können beispielsweise zwei oder mehr Temperatursensoren 28 in der Kolbenstange 25 angeordnet sein. Aus sämtlichen erfassten Temperaturwerten kann die Steuervorrichtung 4 beispielsweise einen Mittelwert bilden, wodurch ein exakter Rückschluss auf den Verschleiss der Kathode 24 erfolgen kann.
Die Referenzdaten in der Steuervorrichtung können beispielsweise auch beinhalten, in welchem Zeitraum in Abhängigkeit der eingestellten Stromstärke sich die Temperaturerhöhung einstellt. Erfolgt demnach eine rasche Temperaturerhöhung in relativ kurzer Zeit, so kommt dies einem starken Verschleiss der Kathode 24 gleich.
Dies ist beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung von 7-10 [deg.]C bei einer Schneiddauer von 60 min der Fall.
Ebenso kann in der Steuervorrichtung 4 eine Temperaturschwelle als Referenzwert hinterlegt sein, bei deren Überschreitung zum Schutz des Brenners 7 der Schneidvorgang abgebrochen und der Brenner 7 mittels der Flüssigkeit 9 gekühlt werden kann. Somit kann die Steuervorrichtung 4 entsprechende Massnahmen setzen, um die Qualität des Schneidprozesses nicht zu gefährden sowie den Brenner 7 vor einer Überhitzung zu bewahren.
Beispielsweise kann der Strom für den Schneidprozess gesenkt werden, eine entsprechende Verschleissanzeige auf der Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung 17 am Brenner 7 erfolgen, die dem Benutzer einen notwendigen Wechsel der Kathode 24 anzeigt, oder der Schneidprozess gestoppt werden.
Eine weitere Möglichkeit eine verschlissene Kathode 24 zu erkennen, besteht darin, den Temperaturanstieg der Kolbenstange 25 nach einem Schneidvorgang auszuwerten. Dies erfolgt über den Temperatursensor 28 in der Kolbenstange 25.
Während eines Schneidbetriebs herrscht ein Wärmegefälle von der Spitze der Kathode 24 bis zum gegenüberliegenden Ende der Kol benstange 25. Dies stellt sich dadurch ein, da die Kathode 24 durch den Lichtbogen 33 erhitzt wird, wobei die Kolbenstange 25 durch die Flüssigkeit 9 gekühlt wird.
Nach einem Schneidbetrieb wird demnach die Kathode 24 nicht mehr erhitzt und die Kolbenstange 25 nicht mehr gekühlt, wodurch das Wärmegefälle abflacht bzw. angeglichen wird. Die Temperatur der Kolbenstange 25 steigt somit nach einem Schneidvorgang durch die in der Kathode 24 gespeicherte Wärme. Dies kann durch einen Temperatursensor 28 erfasst und von der Steuervorrichtung 4 ausgewertet werden, wobei zusätzlich der Temperaturanstieg in Abhängigkeit der Zeit ausgewertet werden kann.
Somit kann ein Rückschluss auf den Verschleiss der Kathode 24 erfolgen.
Die Verschleisserkennung der Düse 26 kann wie folgt durchgeführt werden.
Mit zunehmender Anzahl von Schneidprozessen wird die Austrittsöffnung 27 der Düse 26 mehr und mehr verschlissen, indem der Durchmesser der Austrittsöffnung 27 erweitert bzw. ein Krater um die Austrittsöffnung 27 gebildet wird und die Kanallänge der Austrittsöffnung 27 verkürzt wird. Das bedeutet wiederum, dass sich die Menge des aus der Austrittsöffnung 27 austretenden Gases 20 entsprechend erhöht. Dies hat zur Folge, dass dem Brenner 7 entsprechend mehr Flüssigkeit 9 zugeführt wird, welche in der selben Zeit verdampft werden muss. Zum Verdampfen einer grösseren Menge an Flüssigkeit 9 ist eine entsprechend höhere Heizleistung der Heizeinrichtung 22 erforderlich.
Die Heizleistung kann in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 28 erfassten Temperatur geregelt werden, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Die Heizleistung ist direkt proportional zum Durchmesser der Austrittsöffnung 27 der Düse 26. Somit kann die Steuervorrichtung 4 aufgrund der Heizleistung Rückschlüsse auf den Verschleiss der Düse 26 ziehen und entsprechende Massnahmen, wie zuvor beschrieben, setzen.
Eine weitere Möglichkeit, den Verschleiss der Düse 26 zu erkennen, besteht darin, in der Versorgungsleitung 8 der Flüssigkeit 9 einen Durchflusssensor (nicht dargestellt) zu integrieren. Dieser liefert entsprechende Daten an die Steuervorrichtung 4, welche aufgrund des Anstiegs der Durchflussmenge einen Rück schluss auf den Verschleiss der Düse 26 ziehen kann.
Bekanntlich ist der Verschleiss der Düse 26 jedoch von vielen Faktoren wie Heizleistung, Stromstärke, Düsendurchmesser, Gasströmung, usw. abhängig, welche von der Steuervorrichtung 4 zum Rückschluss auf den Verschleiss dementsprechend berücksichtigt werden müssen. Bevorzugt gilt eine Düse 26 als verschlissen, wenn die Durchflussmenge die Solldurchflussmenge bzw. den Sollwert für die Durchflussmenge im Bereich um sechzig Prozent übersteigt.
Beispielsweise ist dies bei 15 ml/min der Fall.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Verschleisserkennung mittels Durchflusssensor mit der Verschleisserkennung mittels Heizleistung zu kombinieren, wodurch ein noch exakterer Rückschluss auf den Verschleiss der Düse 26 gezogen werden kann.
Der in der Kolbenstange 25 integrierte Temperatursensor 28 kann auch zur Verbesserung des Regelsystems für die Heizleistung eingesetzt werden.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, dient die Flüssigkeit 9 einerseits dazu, die Kathode 24 bzw. die Kolbenstange 25 zu kühlen und so deren Standzeit zu verlängern, andererseits dient die Flüssigkeit 9 im dampfförmigen Zustand als Ausgangsmedium für den Schneidprozess.
Die Flüssigkeit 9 umströmt zuerst den Kolbenstange 25 und wird anschliessend im Verdampfer 23 in den dampfförmigen Zustand gebracht, indem die Heizeinrichtung 22 mit Strom versorgt wird.
Für einen qualitativ hochwertigen und stabilen Schneidprozess ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit 9 vollständig verdampft wird, ohne dass der Brenner 7 überhitzt wird. Mit dem Temperatursensor 28 in der Kolbenstange 25 kann die Heizleistung der Heizeinrichtung 22 exakt geregelt werden. Dies ist insbesondere beim Start eines Schneidvorganges mit einem völlig ausgekühlten Brenner 7 von Bedeutung, da hier die Gefahr einer Überhitzung des Brenners 7 oder einer Untertemperatur des Brenners 7 besonders gross ist. Für einen Schneidvorgang wird der Verdampfer 23 auf eine Temperatur von etwa 190[deg.]C aufgeheizt, so dass die Flüssigkeit 9 vollständig verdampfen kann.
Hierbei ist vorausgesetzt, dass die Kolbenstange 25, welche durch den Lichtbogen 33 über die Kathode 24 erwärmt wird, die Flüssigkeit 9 bereits vorerwärmt, wie dies im Normalbetrieb der Fall ist. Beim Starten des Schneidbetriebs mit einem "kalten" Brenner 7 bzw. einer "kalten" Kolbenstange 25 muss keine Vorerwärmung stattfinden. Somit müsste der Verdampfer 23 auf eine wesentlich höhere Temperatur aufgeheizt werden, wodurch die thermische Belastung des Brenners 7 steigt.
Noch häufiger ist jedoch die Gefahr, dass der Brenner 7 bzw. der Verdampfer 23 nicht ausreichend erwärmt wurde, und eine Untertemperatur im Brenner 7 herrscht. Hierbei erhält der Verdampfer 23 eine zu kalte Flüssigkeit 9, da diese durch die kalte Kolbenstange 25 nicht vorerwärmt wurde.
Oder anders ausgedrückt, der Verdampfer 23 hat eine zu geringe Temperatur, da dieser ja keine Information über die Temperatur der Kolbenstange 25, welche entscheidend für die Vorerwärmung der Flüssigkeit 9 ist, erhält. Somit hat der Verdampfer 23 eine zu geringe Temperatur, um die kalte Flüssigkeit 9 vollständig zu verdampfen. Dadurch sammelt sich Flüssigkeit 9 im Bereich der Austrittsöffnung 27 bzw. tritt aus dieser aus, was sich negativ auf die Haltbarkeit des Brenners 7 sowie der Verschleissteile auswirkt.
Demnach erfolgt die Regelung, insbesondere für den Startvorgang des Schneidprozesses, derart, dass die vom Temperatursensor 28 erfasste Temperatur der Kolbenstange 25 an die Steuervorrichtung 4 übermittelt wird.
Abhängig von dieser Temperatur kann die Steuervorrichtung 4 ermitteln, inwieweit die zugeführte Flüssigkeit 9 bereits durch die Temperatur der Kolbenstange 25 vorerwärmt wird. Daraus resultiert dann die erforderliche Heizleistung für die Heizeinrichtung 22, ohne den Brenner 7 durch die Gefahr einer Überhitzung zu gefährden. Bei einer hohen Temperatur der Kolbenstange 25 wird die Heizeinrichtung 22 also mit weniger Leistung versorgt. Dementsprechend wird die Heizeinrichtung 22 mit einer höheren Leistung versorgt, wenn die Temperatur der Kolbenstange 25 niedrig ist. Zusätzlich kann durch ein kurzfristiges, gezieltes Anheben des Schneidstroms (beispielsweise um 10A) mehr Wärme in die Kolbenstange 25 eingebracht werden, wodurch die Heizleistung geringer ist, und somit ein stabiler und unterbrechungsfreier Schneidprozess gewährleistet werden kann.
Zusätzlich kann auch die Durchflussmenge oder der Druck (beispielsweise um 1 bar) der Flüssigkeit 9 kurzfristig reduziert werden, wodurch weniger Flüssigkeit 9 verdampft werden muss und somit eine geringere Heizleistung erforderlich ist.
Umgekehrt wird durch den Temperatursensor 28 auch erreicht, dass der Brenner 7 bzw. die Kolbenstange 25 stets die erforderliche Temperatur aufweisen, um die Flüssigkeit 9 für einen stabilen Schneidprozess entsprechend zu erwärmen. Demnach kann auch ein "kühler" Brenner 7 erkannt werden, was insbesondere für den Start eines Schneidprozesses von Bedeutung ist.
Wie bereits erwähnt, ist eine derartige Regelung insbesondere in den Startphasen der Schneidprozesse von Bedeutung, da in diesen Fällen eine schnelle Verdampfung der Flüssigkeit 9 erforderlich ist, um einen stabilen Schneidprozess zu gewährleisten.
Dies kann mit der Regelung mit Hilfe des zumindest einen Temperatursensors 28 in jeder Prozessphase sichergestellt werden.
Damit also ein Schneidprozess in optimaler Qualität durchgeführt werden kann, wird mit dem Temperatursensor 28 stets die erforderliche vollständige Verdampfung der Flüssigkeit 9 gewährleistet. Ein im Wasserdampfplas a-Schneidgerät 1 integrierter Leistungsteil (nicht dargestellt) liefert den erforderlichen Strom zur Bildung des Lichtbogens 33. Damit der Lichtbogen 33 aus Sicherheitsgründen nur im zusammengebauten Zustand des Brenners 7 gezündet werden kann, kann im Brenner 7 eine so genannte Schutzkappenüberwachung integriert sein. Dabei kann der Leistungsteil nur dann freigegeben bzw. nur dann der Schneidprozess gestartet werden, wenn zwischen Kathode 24 und Düse 26 ein Kurzschluss detektiert wird.
Eine derartige Kurzschluss-Detektion kann mittels einer hochohmigen, niedervoltigen Spannungsquelle durchgeführt werden.
Selbstverständlich kann die Verschleisserkennung sowie die Prozessregelung auch jeweils eine eigene Steuerung, welche beispielsweise in einem Mikrokontroller oder dgl. implementiert ist, aufweisen. Bevorzugt erfolgt die Steuerung bzw. Regelung jedoch zentral in der Steuervorrichtung 4. Da der Verschleiss, insbesondere der Kathode 24 und der Düse 26, von zusätzlichen Faktoren, wie Heizleistung, Stromstärke, Düsendurchmesser, Gas Strömung und dgl. abhängt, können diese Faktoren von der Steuervorrichtung 4 zur Verschleisserkennung entsprechend berücksichtigt werden.
Dabei ist eine Kalibrierung von Vorteil.
Insbesondere können Toleranzgrenzen, beispielsweise des Temperatursensors 28, oder Interpolationen bei den Referenzwerten die Regelung in gewisser Weise stören. Deshalb erfolgt bevorzugt eine Kalibrierung des Temperatursensors 28, beispielsweise durch Kalibrierwiderstände, durch welche der Einfluss bestimmter Störfaktoren in die Regelung ausgeschaltet oder reduziert werden kann und eine exakte Regelung der Heizleistung des Brenners 7 sichergestellt werden kann.
The invention relates to a method for detecting the wear of the anode formed as a nozzle with an outlet opening of a steam plasma burner, wherein exits through the outlet opening a gas which is formed by evaporation of a supplied via a supply line by means of a heater and an evaporator, the nozzle through An enlargement of the outlet opening is worn and thereby the flow rate of the liquid is increased.
From the prior art, in particular EP 1 522 371 AI, it is known that a plurality of sensors can be arranged in a plasma torch, which detects, for example, the temperature or the voltage. The individual sensors are connected to a processor in the plasma torch, which in turn is connected via a data line to the processor in the power source.
Thus, the cutting process can be controlled based on the measurements provided by the sensors.
The disadvantage here is that with each built-in plasma torch sensor and with the integration of the processor and the associated electronics, the size of the plasma torch increases. As a result, the handling of the plasma torch is at least partially deteriorated. Similarly, the use of sensitive electronics in the plasma torch increases the risk of interference.
Furthermore, EP 1 522 371 A1 describes no technical solution for detecting wear.
Furthermore, it is known from the prior art that in a burner of a steam cutting device, the temperature of an evaporator, which evaporates a liquid, is regulated.
The disadvantage here is that the introduced via the arc in a cathode heat can affect the temperature control of the evaporator in an unpredictable manner, since the introduced from the cathode heat is not taken into account in the temperature control of the evaporator. As a result, the burner may overheat and be destroyed.
Other objects of the invention are to provide an improved method of detecting wear in a steam plasma burner.
The object of the invention is achieved by a method mentioned above, wherein the power of the heating element is detected and the dependent on the flow rate of the liquid heating power is used to assess the wear of the nozzle.
Due to the wear detection of the control device is substantially constantly the state of the wear parts, ie cathode and nozzle known, whereby the wear parts can be used until complete consumption. Of course, a consistent quality of the cutting process is guaranteed.
The user of the water vapor plasma torch, the wear can be displayed accordingly, so that a change of the worn parts is detected in good time. As a result, the risk of destruction of the water vapor plasma burner, for example, by overheating, significantly minimized and thus significantly extends the durability of the burner.
Due to the early wear detection is also achieved in an advantageous manner that the stability or the quality of the cutting process is not affected.
Advantageously, the heating power is determined by the electric power supplied to the heater.
Alternatively, the heating power of the heating device can also be regulated as a function of at least one temperature.
The heating power of the heating device can be regulated as a function of the temperature in a piston rod and the temperature in the evaporator.
Advantageously, the wear of the nozzle is displayed on a display.
The detected heating power of the heating device is preferably compared with reference values for the heating power stored in the control device.
The reference values of the heating power can be determined as a function of the current intensity
be deposited and the current in the assessment of the wear of the nozzle are taken into account.
Further advantages to the claims can be taken from the description.
The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings.
Show:
1 shows an exemplary representation of a steam cutting device;
Fig. 2 is a sectional view of an embodiment of a steam plasma burner; and
Fig. 3 is a sectional view through a steam plasma burner with a temperature sensor in the piston rod.
By way of introduction, it is stated that identical parts of the exemplary embodiment are given the same reference numerals.
Fig. 1 shows a steam cutting device 1 with a base unit 2 for a steam cutting process.
The basic unit 2 comprises a current source 3, a control device 4 and a blocking element 5 associated with the control device 4. The blocking element 5 is connected to a container 6 and a steam plasma burner 7 via a supply line 8, so that the water vapor plasma burner 7 is provided with a liquid 6 arranged in the container 6 Medium or a liquid 9, can be supplied. The supply of the steam plasma burner 7 with electrical energy via lines 10, 11, which are connected to the power source 3.
For cooling the steam plasma burner 7 this is connected via a cooling circuit 12 at best with the interposition of a flow switch 13 with a liquid container 14.
When starting up the burner 7 or the steam cutting device 1, the cooling circuit 12 can be started by the control device 4 and thus a cooling of the burner 7 via the cooling circuit 12 can be achieved. To form the cooling circuit 12, the burner 7 is connected via cooling lines 15, 16 with the liquid container 14.
Furthermore, the steam cutting device 1 may have an input and / or display device 17, via which the most varied parameters or operating modes of the steam cutting device 1 can be set and displayed.
The parameters set via the input and / or display device 17 are forwarded to the control device 4, which controls the individual components of the steam cutting device 1 accordingly.
Furthermore, the steam plasma burner 7 can have at least one operating element 18, in particular a push-button 19. About the control element 18, in particular the button 19, the user can notify by activating and / or deactivating the button 19 of the control device 4 from the burner 7 that a steam cutting process should be started or performed. Furthermore, presettings can be made, for example, at the input and / or display device 17, in particular the material to be cut, the liquid used and, for example, characteristics of the current and the voltage are predefined.
Of course, further operating elements can be arranged on the burner 7, via which one or more operating parameters of the steam cutting device 1 are set by the burner 7. For this purpose, these controls can be connected directly via lines or via a bus system with the steam cutting device 1, in particular its control device 4.
The control device 4 activates after pressing the button 19, the individual components required for the steam cutting process. For example, first a pump (not shown), the blocking element 5 and the power source 3 are driven, whereby a supply of the burner 7 with the liquid 9 via the supply line 8 and the supply of elec tric energy is initiated.
Subsequently, the control device 4 activates the cooling circuit 12, so that cooling of the burner 7 is made possible. Of course, the supply of the burner 7 with the liquid 9 can also ensure the cooling of the burner 7, since only in the burner 7, the liquid 9 is heated to the temperature required for a cutting process. Accordingly, the cooling circuit 12, which comprises the flow monitor 13, the liquid container 14 and the cooling lines 15, 16, could be omitted. By supplying the burner 7 with the liquid 9 and with electrical energy, the liquid 9 is now converted in the burner 7 with a correspondingly high temperature into a gas 20, in particular into a plasma. With the gas 20 flowing out of the burner 7, a cutting process can be carried out on a workpiece 21.
In this case, the conversion of the liquid 9 into the gas 20 takes place at least with the aid of a heating device 22, which is preferably formed by a corresponding heating element, and an evaporator 23, which are preferably integrated in the burner 7.
For a cutting process on a workpiece 21 with the burner 7, which is shown in detail in Fig. 2, an arc 33 is additionally required. The arc 33 is ignited by the control device 4 or by pressing the button 19 and burns between a cathode 24, which is connected to a piston rod 25 and integrated in the burner 7 and preferably connected to the negative pole of the power source 3, and an anode , which is formed by a nozzle 26 and connected to the positive pole of the power source 3.
When the burner 7 approaches the workpiece 21, the positive pole of the current source 3 is switched away from the nozzle 26, whereby the arc 33 is driven outward by the gas 20 through an outlet opening 27 in the nozzle 26 and thus between the cathode 24 and the workpiece 21 burns. For this purpose, the workpiece 21 is connected to the positive pole of the current source 3. Thus, if the arc 33 burns between the cathode 24 and the workpiece 21, the current is correspondingly increased by the control device 4, and finally a plasma jet with such a high energy density is generated, which can be used for melting and thus cutting workpieces 21.
When a workpiece 21 is separated by means of a steam plasma burner 7, some components, in particular the cathode 24 and the nozzle 26, are exposed to very high temperatures and high current and are thus subject to high wear. The quality of a cutting process depends heavily on the degree of wear of the wearing parts. Therefore, an integrated in the burner 7 wear detection is advantageous for quality control.
The wear detection can be achieved via at least one integrated in the piston rod 25 temperature sensor 28. The temperature sensor 28 delivers the detected temperature preferably to the control device 4, which can draw conclusions on the wear of the wear parts based on the temperature changes.
By such a wear detection and the burner 7 can be prevented from thermal overload.
FIG. 3 shows a burner 7 with the temperature sensor 28 in the piston rod 25. The piston rod 25 and thus also the cathode 24 are movably mounted in the burner 7. For this reason, it is necessary that the temperature sensor 28 is arranged in the substantially cylindrical piston rod 25 such that it does not restrict the movements of the piston rod 25 and the associated cathode 24. Therefore, the temperature sensor 28 preferably has a rod-like shape. Preferably, the temperature sensor 28 is formed by a semiconductor resistor, such as a PTC (positive temperature coefficient) resistor, such as a PT100.
It is also possible to choose a resistor with a negative temperature coefficient, a so-called NTC (negative temperature coefficient) resistor. Of course, the temperature sensor 28 may also be formed by a thermocouple or the like.
To accommodate the temperature sensor 28 in the piston rod 25, this has a corresponding to the shape of the temperature sensor 28 recess 29 and bore. The recess 29 is arranged in the edge region of the piston rod 25, so that the space required for the necessary for the movement of the piston rod 25 elements (for example, a spring) is not limited. Furthermore, the recess 29 preferably extends parallel to the longitudinal axis of the piston rod 25 and substantially to the cathode 24.
Preferably, the temperature sensor 28 is clamped or pressed into the recess 29 and possibly glued.
So that the temperature sensor 28 can transmit the detected temperature to the control device 4, the temperature sensor 28 has electrical connections 30. These connections 30 are guided through a passage 31 in the region of attachment of the piston rod 25, which is opposite to the cathode 24, to the outside and can be connected to the control device 4.
Of course, the passage 31 is not a hindrance to the movably mounted piston rod 25.
With such a temperature sensor 28 arranged, the wear of the cathode 24 and the nozzle 26 can be detected.
The wear detection of the cathode 24 can be performed as follows.
In a cutting process, the required arc 33 burns between the cathode 24 and the workpiece 21. Preferably, the arc 33 forms in the middle of the contact surface of the cathode 24, at which point preferably a pin or bolt 32, for example of hafnium, in the cathode 24 is pressed. This causes by the electron-emitting properties of hafnium, or for example zirconium or the like., That the arc 33 attaches directly to the bolt 32. This ensures a stable arc 33 for the cutting process.
By the continuous operation of the burner 7 and the steam cutting device 1, however, the bolt 32 is increasingly worn and caused by the arc 33 a deeper penetration in the bolt 32 and thus more power or heat coupled into the cathode 24. Since the cathode 24 is thermally connected to the piston rod 25, that is to say connected to it by means of a screw connection, for example, a corresponding increase in temperature results in the piston rod 25. This temperature increase, for example from approximately 160 ° C. to approximately 180 ° C. C, is detected via the temperature sensor 28 and the control device 4. Corresponding reference data or reference values for the temperature increase are stored in the control device 4 so that a conclusion can be drawn on the wear of the cathode 24 due to the temperature increase.
Since the temperature detected by the temperature sensor 28 is at least partially dependent on the arrangement of the temperature sensor 28, for example, two or more temperature sensors 28 may be arranged in the piston rod 25. From all recorded temperature values, the control device 4 can form, for example, an average value, as a result of which an exact inference can be made as to the wear of the cathode 24.
The reference data in the control device can also include, for example, in which period of time, depending on the set current intensity, the temperature increase occurs. If, therefore, a rapid increase in temperature in a relatively short time, this is a strong wear of the cathode 24 equal.
This is the case, for example, with a temperature increase of 7-10 ° C. with a cutting time of 60 minutes.
Likewise, in the control device 4, a temperature threshold can be stored as a reference value, exceeded if exceeded to protect the burner 7 of the cutting process and the burner 7 can be cooled by means of the liquid 9. Thus, the control device 4 set appropriate measures so as not to jeopardize the quality of the cutting process and to protect the burner 7 from overheating.
For example, the current for the cutting process can be reduced, a corresponding Verschleissanzeige done on the input and / or display 17 on the burner 7, which indicates the user a necessary change of the cathode 24, or the cutting process to be stopped.
Another way to detect a worn cathode 24 is to evaluate the temperature rise of the piston rod 25 after a cutting operation. This is done via the temperature sensor 28 in the piston rod 25.
During a cutting operation, there is a heat gradient from the tip of the cathode 24 to the opposite end of the Kol rod 25. This adjusts because the cathode 24 is heated by the arc 33, wherein the piston rod 25 is cooled by the liquid 9.
After a cutting operation, therefore, the cathode 24 is no longer heated and the piston rod 25 is no longer cooled, whereby the heat gradient is flattened or equalized. The temperature of the piston rod 25 thus increases after a cutting operation by the heat stored in the cathode 24. This can be detected by a temperature sensor 28 and evaluated by the control device 4, wherein additionally the temperature rise can be evaluated as a function of time.
Thus, a conclusion can be drawn on the wear of the cathode 24.
The wear detection of the nozzle 26 can be performed as follows.
With increasing number of cutting processes, the outlet opening 27 of the nozzle 26 becomes more and more worn out by the diameter of the outlet opening 27 expands or a crater is formed around the outlet opening 27 and the channel length of the outlet opening 27 is shortened. This in turn means that the amount of gas 20 emerging from the outlet opening 27 increases accordingly. This has the consequence that the burner 7 is supplied according to more liquid 9, which must be evaporated in the same time. To evaporate a larger amount of liquid 9, a correspondingly higher heating power of the heater 22 is required.
The heating power can be regulated as a function of the temperature detected by the temperature sensor 28, as will be described in more detail below. The heating power is directly proportional to the diameter of the outlet opening 27 of the nozzle 26. Thus, the control device 4 can draw conclusions on the wear of the nozzle 26 due to the heating power and take appropriate measures, as described above.
Another way to detect the wear of the nozzle 26 is to integrate in the supply line 8 of the liquid 9, a flow sensor (not shown). This supplies corresponding data to the control device 4, which can draw a conclusion on the wear of the nozzle 26 due to the increase in the flow rate.
However, the wear of the nozzle 26 is known to depend on many factors such as heating power, current, nozzle diameter, gas flow, etc., which must be taken into account accordingly by the control device 4 for determining the wear. Preferably, a nozzle 26 is considered worn if the flow rate exceeds the target flow rate or the setpoint for the flow rate in the range of sixty percent.
For example, this is the case at 15 ml / min.
Of course, it is also possible to combine the wear detection by means of flow sensor with the wear detection by means of heating power, whereby an even more accurate inference to the wear of the nozzle 26 can be pulled.
The integrated in the piston rod 25 temperature sensor 28 can also be used to improve the control system for the heating power.
As is known from the prior art, the liquid 9 serves, on the one hand, to cool the cathode 24 or the piston rod 25, thus prolonging their service life, and, on the other hand, serves the liquid 9 in the vaporous state as the starting medium for the cutting process.
The liquid 9 flows around first the piston rod 25 and is then brought in the evaporator 23 in the vapor state by the heater 22 is supplied with power.
For a high-quality and stable cutting process, care must be taken that the liquid 9 is completely vaporized without the burner 7 being overheated. With the temperature sensor 28 in the piston rod 25, the heating power of the heater 22 can be controlled exactly. This is particularly important when starting a cutting process with a completely cooled burner 7 of importance, since the risk of overheating of the burner 7 or a low temperature of the burner 7 is particularly large. For a cutting operation, the evaporator 23 is heated to a temperature of about 190 ° C., so that the liquid 9 can completely evaporate.
Here it is assumed that the piston rod 25, which is heated by the arc 33 via the cathode 24, the liquid 9 already preheated, as is the case in normal operation. When starting the cutting operation with a "cold" burner 7 or a "cold" piston rod 25 no preheating must take place. Thus, the evaporator 23 would have to be heated to a much higher temperature, whereby the thermal load of the burner 7 increases.
Even more frequently, however, the risk that the burner 7 or the evaporator 23 has not been sufficiently heated, and an under-temperature in the burner 7 prevails. In this case, the evaporator 23 receives a too cold liquid 9, since this was not preheated by the cold piston rod 25.
In other words, the evaporator 23 has too low a temperature, since this no information about the temperature of the piston rod 25, which is crucial for the preheating of the liquid 9, receives. Thus, the evaporator 23 has too low a temperature to completely evaporate the cold liquid 9. As a result, liquid 9 collects in the region of the outlet opening 27 or exits therefrom, which has a negative effect on the durability of the burner 7 and the wear parts.
Accordingly, the control takes place, in particular for the starting process of the cutting process, in such a way that the temperature of the piston rod 25 detected by the temperature sensor 28 is transmitted to the control device 4.
Depending on this temperature, the control device 4 can determine to what extent the supplied liquid 9 is already preheated by the temperature of the piston rod 25. This then results in the required heating power for the heater 22 without jeopardizing the burner 7 by the risk of overheating. At a high temperature of the piston rod 25, the heater 22 is thus supplied with less power. Accordingly, the heater 22 is supplied with a higher power when the temperature of the piston rod 25 is low. In addition, by a short-term, targeted raising of the cutting current (for example by 10A) more heat can be introduced into the piston rod 25, whereby the heating power is lower, and thus a stable and uninterrupted cutting process can be ensured.
In addition, the flow rate or the pressure (for example by 1 bar) of the liquid 9 can be reduced in the short term, whereby less liquid 9 must be evaporated and thus a lower heating power is required.
Conversely, it is also achieved by the temperature sensor 28 that the burner 7 or the piston rod 25 always have the required temperature in order to heat the liquid 9 correspondingly for a stable cutting process. Accordingly, a "cool" burner 7 can be detected, which is particularly important for the start of a cutting process of importance.
As already mentioned, such a regulation is of importance, in particular in the starting phases of the cutting processes, since in these cases a rapid evaporation of the liquid 9 is necessary in order to ensure a stable cutting process.
This can be ensured with the control by means of the at least one temperature sensor 28 in each process phase.
So that a cutting process can be carried out in optimum quality, the required complete evaporation of the liquid 9 is always ensured with the temperature sensor 28. A in the Wasserdampfplas a cutter 1 integrated power unit (not shown) provides the necessary current to form the arc 33. So that the arc 33 can be ignited for safety reasons only in the assembled state of the burner 7, a so-called protective cap monitoring can be integrated in the burner 7 , In this case, the power unit can only be released or the cutting process can only be started if a short circuit is detected between the cathode 24 and the nozzle 26.
Such a short-circuit detection can be carried out by means of a high-impedance, low-voltage voltage source.
Of course, the wear detection as well as the process control can each have its own control, which is implemented, for example, in a microcontroller or the like. Preferably, however, the control or regulation takes place centrally in the control device 4. Since the wear, in particular the cathode 24 and the nozzle 26, on additional factors, such as heating power, current, nozzle diameter, gas flow and the like. Depends, these factors of the Control device 4 are considered for wear detection accordingly.
In this case, a calibration of advantage.
In particular, tolerance limits, for example of the temperature sensor 28, or interpolations at the reference values may in some way disturb the control. Therefore, a calibration of the temperature sensor 28, for example, by calibration resistors, by which the influence of certain disturbing factors in the control can be switched off or reduced and an exact control of the heating power of the burner 7 can be ensured preferably takes place.