CN1132867A - 控制间歇工作加热装置特别是电加热装置实际温度的方法 - Google Patents

Abstract

在控制间歇性加热装置实际温度的方法中，在加热装置的一个接通时间内对一预定测量时间周期测量至少一个工作参数。根据此至少一个工作参数的测量值，检测加热装置的实际温度。现行接通时间的长度随实际温度与预定期望温度的比较结果而变化。每个接通时间的最小长度等于测量时间周期。选用的测量时间周期定为在测量时间周期的长度内提供给加热装置的热能少于在随后延长至下一个接通时间的断路时间内放出的热能。

Description

控制间歇工作加热装置 特别是电加热装置实际温度的方法

本发明是指一种用于控制间歇性工作加热装置特别是电加热装置实际温度的方法。本发明尤其是指一种用于控制可由加热装置加热的表面的温度对元件特别是片状元件提供热处理的方法。

在范围广泛的热处理工艺过程中，把要作热处理的元件暴露于加热装置成由此加热装置加热的处理装置，并且/或使之与所述处理装置的可加热表面形成压力接触。这种工艺过程的例子是在(电子照相的)复印机中的加热器定影站，其中通过使上色剂颗粒“烙”到纸上而把上色剂图像固定在复印纸上。另一个例子是层压装置，它通过热量或压力把膜片层压到载体上。这种层压装置例如可用于图像复制或印刷领域中的彩色上胶系统，其中层压装置把一层附着于载膜并且包含可见光吸收成分例如彩色颗粒等类似物质层压到样稿上(例如纸片材料)。样稿上可见光吸收成分的粘合力及粘合剂的均匀性不仅依赖于层压辊的压力，还依赖于这两根层压辊的(绝对)温度以及层压过程中温度的稳定性。

目前，特别是在加热器定影站中，加热装置设计成陶瓷薄层，当它被施加一工作电压后，其间有工作电流流动并由欧姆电阻加热。陶瓷层装在承载辊的外表面上并在其上有一如硅橡胶那样的弹性材料外层。通常，在陶瓷层和承载辊之间另加一层作热隔离。对加热装置或元件配有陶瓷层的加热辊的实施例在申请号为DE—A—25 08902，DE—A—31 31 799，DE—A—33 09 398，DE—A—35 00 557，EP—A—0 241 714，EP—A—0 515 299，US—A—4 820 904，US—A—5 141 333和US—A—5 191 381的专利中已揭示过。

通常，当加热一加热辊时，加热装置在接通时间内接通并在断开时间内断路。接通后的加热装置的加热功率大致恒定，从而每一接通时间内发出的热能与接通时间长度有关。接通时间长度的设置与加热装置的实际温度或加热表面的实际温度有关。

温度控制或调节的一个弱点在于测量技术对实际温度的检测。这是因为用于此目的的传感器元件输出的值相对于真实的实际温度有偏差。此外，为容纳传感器而提出的空间要求也会产生问题。

在现有的温度控制或调节中，如在US—A—4 053 733，US—A—4 868 368，EP—A—0 042 344，EP—A—0 208 256，EP—A—0418 089和EP—A—0 564 420中所揭示的，由温度传感器来实施脉宽控制式加热与/或温度测量。此外，US—A—4 523 084，US—A—4 549 073和EP—A—0 333 916中揭示了用于在电阻加热导体中检测欧姆电阻，并在此基础上检测电阻加热导体的温度的方法。

本发明的一个方面是提供一种以上所述形式的温度控制方法，其中实际温度不用传感器以简单方式检测。

依据本发明的第一个变型，将描述用于控制间歇性工作加热装置的实际温度的方法，当使用至少一个决定加热功率的工作参数来工作并在工作过程中可测量时，此装置在接通时间内导通，并且在逐个接通时间之间的断开时间内断路，根据加热装置的实际温度改变接通时间的长度。依据本发明的方法，提供有—在接通时间内，对一预定测量时间间隔至少测量一个工作参数，—在至少一个工作参数的测量值的基础上检测加热装置的实际温

度，并且—根据实际温度和预定期望温度的比较结果改变现行接通时间的

长度，—其中，每个接通时间的最小长度等于测量时间间隔。

依据本发明方法，实际温度的控制由期间加热装置处于接通状态并产生热能的导通时间长度的变化来实现。在两个连续的接通时间之间的断开时间内，加热装置处于断路状态。加热装置的实际温度(在电阻加热导体情况下，这将是电阻加热导体的温度)在至少一个表征接通时间内加热装置工作状态的工作参数的基础上予以检测。只有已知加热装置的加热功率以及至少一个工作参数的大小和正负符号之间的相依关系，才可得出实际温度。

本发明方法不需要单独的传感器而能够检测加热装置或被加热元件的温度。这样，可消除由传感器的偏差引起的测量可能不准确的问题。此外，驱动用于检测实际温度的加热装置可很容易地实现，因为此种驱动步骤与需要加热的加热装置的驱动没有什么不同之处。

原则上讲，以不同于在加热操作期间加热装置的(工作)参数的方法驱动加热装置，也可实现检测实际温度。这样，也可省去单独的传感器。然而，这个优点的不利因素是必须在测量操作和加热操作之间，即测量间隔时间(接通时间和断路时间)之间执行切换，从而使驱动步骤变得更复杂。本发明方法的优点特别适用于那些用于加热的需经常驱动的加热装置(脉宽控制加热装置)，其中可由驱动的长度或由脉冲/间歇比来控制温度。工作参数至少包含一个根据加热装置实际温度而设置的工作参数，其它工作参数保持不变。也可以把加热装置的工作参数当作加热装置的输入量，而把加热装置的温度当作加热装置的输出量。如果此输出量决定了至少一个输入量，则可通过测量所述至少一个输入量或根据对此输入量的测量值来检测这种加热装置的温度。

检测实际温度或代表实际温度的某个值要求最小的时间长度，这一时间长度将在下面参照为测量时间周期。因为加热装置将被转换到也用于检测实际温度(如上所述，测量的诸工作参数或其中至少一个工作参数要用于检测实际温度)的加热模式，这可能产生不必要的加热装置实际温度的增高。因此，依据本发明的较佳实施例，如果处于一个或多个连续的接通时间的加热装置每次仅仅接通测量时间周期的长度，就可防止加热装置过热或加热装置升温。从而，采取了一项预防措施，即利用一个比在测量时间周期内加热装置或元件已升温的温差更大的温差，使其后在断路状态下作热处理的加热装置或由此加热装置加热的元件冷却下来。换句话说，加热装置的间歇性控制在这样一种方法下适宜地实现，即当接通时间等于测量时间周期时，由此加热装置或由此被加热的元件在随后的断路时间内产生的热能将大于先前在测量时间周期内所提供的热能。因此，接通时间的最小长度最好选得与测量时间周期相同，从而，在测量时间周期长度内，供给加热装置的热能就低于延长至下一个接通时间的后续断路时间内发出的热能。

供给加热装置的能量和功率(在接通状态中)以及发出的热能和功率之间的关系必须根据各别情况确定。因为设计加热装置时，它的组成，及它与系统其余部分的关系或它的环境(例如，加热装置与设备其它部分之间空间和间距的量)都可影响这种能量和功率的关系，必须评估每个设备和加热装置。为了确定供给或发生的能量和功率的极限，应作实际的物理/电工测量来预定适当的能量和功率供给值。当检测了接通状态下供给加热装置的最大能量/功率和加热装置产生的最小能量/功率，以及断路状态下加热装置产生的最小能量/功率时，可确定断路时间的最小长度，从而当仅对测量时间周期操作加热装置时，考虑到在此周期中也发出的能量在随后的断路时间内产生了比在测量时间周期中提供的更多的热能(在测量时间周期中供给的能量和发出的能量之差)

依据本发明的又一个变化，提供了一种如电阻加热导体的加热装置。特别，此电阻加热导体可由一层电学上导电的陶瓷材料构成。如果把本发明方法应用于控制一加热辊的温度，加热装置就是装在承载辊周围的电学导电层。为对承载辊热隔离，绝热层最好装在导电加热层和承载辊之间。加热层的外表面一般包一弹性材料层特别是硅橡胶层。

如果依据本发明方法实行温控的加热装置由电流驱动，最宜使用可从其中得出实际温度的电池电压和工作电流作为工作参数。这两个工作参数值可对供给加热装置的能量大小得出结果。假定知道了供给的(电)能量和发出的(热)能量之间加热装置的传送作用，就可计算加热装置的开始温度。如果加热装置使用了电学导电电阻加热材料，那么也可通过测量欧姆电阻实现温度检测。

特别当加热装置使用电阻加热材料时，如果已知温度与电流之间的相依关系，测量输入量“电流”(与温度有关的参数)便可得出温度的结果。加热装置的另一个工作参数，即流行于此电阻加热材料的电压是常数，并且在加热装置工作期间总是相当于与温度无关。因此，电阻加热材料的驱动，即工作电压的运用对测量时间周期的长度和对剩余的接通时间(如果后者比最小长度长)是相等的。

如以上所述，接通时间的长度是根据实际温度变化的，并且特别是，此变化是对现行接通时间进行的。为此，测量时间周期和接通时间将同时开始，即，将在接通时间的第一阶段(测量时间周期)检测实际温度。如果实际温度与期望温度相等(允许一定的偏差范围)，就把现行接通时间长度选得与以前的接通时间长度相等。如果实际温度高于期望温度(或高于所述的偏差范围)，就缩短现行接通时间。另一方面，如果实际温度低于期望温度(或所述的偏差范围)，就延长现行接通时间。

互相以等间距接替的接通时间的变化最好以分段的方式实现，假定实际温度和期望温度之间的比较结果需要这样一个变化。这种方式对改变实际温度简化了加热装置的驱动。

在由AC(交流)电流和AC电压操作的电气装置中，实际温度的检测最好通过工作电流和工作电压的时间特性分别对一个半波的积分来实现。因此，这时要在对工作电流和工作电压一个半波的面积检测的基础上获得实际温度。最好用设计适宜的各个AC/DC(直流)转换器来扫描半波。两个AC/DC转换器都接到计算单元，计算单元则根据工作电流和工作电压的半波时间特性的数字化值计算加热器元件的电阻值。每个代表工作电流和工作电压的被测量信号最好经过由接地的二极管实现半波整流。

以下将参照附图对本发明的实施例进行更详细的说明。

图1是彩色上胶系统的层压装置的侧视图，

图2是示出温度控制电路的方框图，

图3是分别示出在一系列接通和断路时间内工作电流和工作电压的时间特性的图，

图4是示出通过工作电流和工作电压在半波内的时间特性的面积计算来检测实际温度的方框图，

图5是分别示出工作电流和工作电压的半波扫描的图。

图1是图像再生和印刷领域中彩色上胶系统等应用的层压装置10的侧视图。层压装置10尤其配备了一容纳一对层压辊(包括上层压辊14和下层压辊16)的外壳12。两个层压辊14，16都可绕平行轴转动，其中上层压辊14支在外壳12上。上层压辊14配备的(内)加热装置22用来直接加热上层压辊14。在本实施例中，下层压辊16不带加热装置；然而，下层压辊16是否包含自己的加热装置，或仍将作描述的下层压辊16通过接触加热3的上层压辊14来加热，都与本发明无关。

下层压辊16的转动轴20的轴端支在各自沿向外方向径向伸出下层压辊16的转轴臂24上，并装成在外壳12上绕枢轴转动。所述外壳12上的转轴臂24可绕顺次与层压辊14，16的转动轴18，20平行延伸的枢轴26转动，通过转动转轴臂24，下层压辊16可以移离上层压辊14或者移到与上层压辊14啮合接触。两个层压辊14，16都可以链条传动(未示出)沿箭头28的方向旋转地传动。

其自由端30面对远处旋转轴26的转轴臂24一方面通过支在转轴臂24的自由端30上，另一方面支在可转动杠杆34上的压缩弹簧32来连接。所述杠杆34被支撑成可绕外壳12上的枢轴转动，顺次与旋转轴26和转动轴18，20平行延伸。杠杆34还装有销37，在其周围装有压缩弹簧32，并且通过转轴臂24的自由端30的定位来防止不希望有的从这些自由端30中滑出。面向远处压缩弹簧32的杠杆34的侧面与可由一旋转传动装置(未示出)旋转传动的凸轮构件38的外表面相啮合。由凸轮构件38的转动，杠杆34可沿图1中箭头40的方向转动，或者，由于倚靠在杠杆34上的转轴臂24的自由端30的缘故，杠杆34沿箭头42的方向转动，这与凸轮构件38转动的位置有关。当杠杆34沿箭头40的方向转动时，转轴臂以箭头44的方向转动，并且当杠杆34以箭头42的方向转回时，转轴臂24沿箭头46的方向转动。由于其间各个杠杆34和关联的转轴臂24之间的机械连接，层压辊14，16相互压紧，压力由压缩弹簧32决定，从而它们的外表面由一限定的力互相紧压。

此两个层压辊14，16之间的中间空隙有一供给通道48插在其间，用于横进给由彩色颗粒层52覆盖的样稿50。通过样稿50和彩色颗粒层52的加热以及通过上述的压力，其本身由承载膜固定的彩色颗粒层52层压到样稿50上。当加到样稿50的薄层和彩色颗粒层52(包括承载膜)已离开层压装置10时，可拖出承载层，从而样稿50将仅携带随后将被曝光的彩色颗粒层52。在供给通道48中，装有传感器54和停止装置56。沿运送方向58安置于停止装置56之前的传感器54检测是否提供了将被层压的样稿50。在两个层压辊14，16都处于互相接触而使不直接由加热装置22加热的下层压辊16退火的阶段中，配备的停止装置56防止样稿50横向进给到两个层压辊14，16之间的空间。

层压辊14的加热装置22是一种用电操作的电阻加热层62，其中包括具有负或正温度系数的导电陶瓷材料。所述加热元件62有一层围绕着承载辊64，在加热层62和承载辊64的外表面之间装有一热隔离层66。用弹性硅橡胶材料68制成的一层66围绕加热层62的外围安装。加热元件62通过适当的装置电气连接，从而使工作电压可以加到辊14两个轴端之间层压辊14的加热元件62上。

参考图2，将更详细地说明用于控制加热元件62温度而且为图解目的示出的方框电路。加热元件62连接到一能量供给单元70上。用于加热元件62的接通或断路的继电器72接在能量供给单元70和加热元件62之间。工作电流I和工作电压U用作代表加热元件62工作状态的工作参数。这两个值和参考值一起输入评估电路74。评估电路74的输出连接到用于同样驱动的继电器72。

评估电路74配备有用于把工作电流除工作电压的除法装置76。除法装置76的输出信号和参考信号提供给比较器78，检测除法装置76的输出信号和参考信号是否相等(允许一定偏差范围)。比较器78的输出接到计数单元80，其中的计数可根据比较器78的输出信号设置。在目前情况下，计数值定在10到30之间，它的理由将在下面说明。如果比较器78的输出信号表明被比较的两个信号相等，则计数单元80的现行计数保持不变。如果比较器78的输出信号表明除法装置76的输出信号小于参考信号，则计数单元80的现行值加1。如果除法装置76的输出信号大于参考信号，则计数单元80的值减1。

计数单元80的读数(如需要，以上述方式改变)与计时器82的输出信号一起提供给比较器单元84。形成评估电路74的输出单元的比较器单元84，在计时器82的输出信号小于或等于计数单元80的读数的时段中发出输出信号。计时器82持续地从0计算到30，即，当达到读数30时，计时器82就复位并再从0开始计数。

在图2示出的电路中，检测用以替代加热元件62的实际温度的实际电阻值并与相应于预定期望温度的参考电阻值相比较。计时器82从0到30时间单位(例如秒)之间的时段发出输出信号。计数单元80从0计数到最小值(不等于0)和最大值(等于由计时器计到的时间单位数)之间的某一计数，随后防止输出输出信号。评估电路74以30个时间单位为周期被触发，从而，在每个时刻0这点，除法装置76将进行上述除法，比较器78将进行上述比较，计时器82和计数单元80将分别开始工作和计数。只要在计时器82的输出端和计数单元80的输出端上都出现输出信号，继电器72就由比较单元84驱动，从而使加热元件62处于接通状态。从计数单元80达到计数时起直到经过30个时间单位(例如30秒)的最大周期，继电器72不起动，从而加热元件62断路。

图3示出了接通时间86，其间预定(常数)的工作电压加到加热元件62上，并且工作电流I(依据加热元件62的温度设定其值)流过加热元件62。接通时间86的最小周期相应于结束实际温度的检测或对代表它的实际电阻值的检测所需的时间。在本实施例中，这个周期假定为10个时间单位(秒)。这意味着计数单元80的计数至少要达到值10。在图3中，以加热装置和层压装置的瞬时状态示出了工作电流和工作电压的时间特性。在前两个接通时间86内，实际温度等于期望温度。必须注意，在图3中最左边示出的在第一个接通时间内施加的电能具有这样一个值，即在随后的断路时间88中加热元件62将已经冷却至一较低的值，从而，还是在这个接通时间86中，仍无理由延长这个时间86。在图3示出的实施例中，接着在第三个接通时间86中检测到实际温度低于期望温度。因此，计数单元80的读数加1。结果，第三个接通时间86的周期要比图3中示出的先前的第二个接通时间86增加1秒。在本实施例中，在下一个(第四个)接通时间86中的实际温度继续小于期望温度，从而计数单元80的读数再加1，与第二个接通时间86相比，它共增加了2。在图3中，在第五个接通时间86中读数再次加1，并且在第六个接通时间86中计数单元80的读数保持不变。在第七个接通时间86中，检测到实际温度高于期望温度，从而计数单元80的读数减1。最后，在第八个接通时间86中，检测到实际温度等于期望温度，从而计数单元80的读数保持不变。

从以上描述容易看出，在一个测量时间周期中(由图3中T代表)，在每个接通时间86的开始处检测实际温度(或一个代表它的值)。在这方面，可以断定测量时间周期T形成接通时间86部分并影响接通时间86的最小长度。测量时间周期T的长度满足测量技术的需要。必须一直保证的是，在随后的断开时间中，最迟在下一个接通时间开始前，在测量时间周期中已提供的电能将作为热能从加热元件中再次放出。否则，在那些加热元件62不必放出比由正常热辐射和对流排除的更多的热量时，将引起不希望有的加热元件62实际温度增高(在目前描述的层压装置中，当层压装置在较长时间周期里处于静止状态而不实施层压处理是正常情况)。

本发明的温度控制方法的优点是不需要单独的测量传感器。此外，因为测量时间周期被认为包含在接通时间内，而且因为实际温度直接根据工作参数(工作电流和工作电压)测量，所以用于这些测量时间周期的驱动电路相当简单。

图4示出温度控制电路的另一个变化形式的方框图。与图2中所示电路的不同在于评估电路74′以及用于工作参数(工作电流和工作电压)的测量信号的处理。如有可能，相同组件由图2和4中相同标号代表。

工作电压U和工作电流I可直接测量或用传感器测出，且测量信号在半波整流装置90中整流。对每个测量信号都配备的半波整流装置90，有一接地的二极管92。对工作电流I和工作电压U的半波测量信号每个都提供给各自的A/D(数/模)转换器94，所述A/D转换器94装在评估电路741的输入端。每个A/D转换器每半波实施多次扫描(例如，128或256次，扫描周期长度为20毫秒；参看图5)。因此，对每个扫描周期，总是在工作电流和工作电压的整个半波上实现扫描。这些半波变量的最大值代表当时的工作电流和当时的工作电压。半波的数字化值输入计算单元94中，计算单元94用来计算各自的最大值，并由除法得到电阻值，再由这个电阻值并根据电阻与温度的关系计算加热元件62的实际温度或代表此温度的值。这个方法用在加热装置中有足够高的准确度，其中温度只经受很小的变化，即大致上是不变的。计算单元96的输出信号与期望温度的参考值一起提供给比较器98。以与图2所示比较器78同样的方式，比较器98产生的输出信号指示计算单元96的输出信号是否大于或小于参考值或与其相等(允许一定偏差范围)。然后，联系图2已作过的说明，连接到比较器98输出端的电路100对继电器72产生驱动信号，使加热元件切换成接通或断路状态。另一方面，计算单元96可对半波工作电流和工作电压分开实现积分过程而不是检测最大值，然后除以两个积分得出电阻值及实际温度。

Claims (10)

1.一种用于控制一种间歇性工作加热装置的实际温度的方法，所述装置在接通时间内导通，通过使用至少一个决定加热功率的工作参数工作并在加热装置工作期间可测量；在逐个接通时间之间的断路时间内断路，接通时间的长度随加热装置的实际温度而变，其特征在于，所述方法包括下述步骤：—在接通时间(86)期间，在一预定测量时间周期(T)测量此至少

一个工作参数，—根据至少一个工作参数的测量值检测加热装置(22)的实际温

度，并且—根据实际温度与预定期望温度的比较结果改变现行接通时间

(86)的长度，—其中每个接通时间(86)的最小长度等于测量时间周期(T)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果接通时间(86)每个只等于测量时间周期(T)，则可防止加热装置的过热。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选用的测量时间周期(T)保证在测量时周期(T)的长度内提供给加热装置(22)的热能少于在随后延伸至下一个接通时间(86)的断路时间(88)期间发出的热能。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量时间周期(T)与接通时间(86)同时开始。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，紧接的接通时间(86)在时间上以等间距(T_r)开始。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接通时间(86)根据实际温度和期望温度的比较以逐步的方式变化，并且其中各自的现行接通时间(86)以单位时间周期(Δt)变化。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热装置(22)是电动的，且流通于加热装置(22)上的工作电压和流过加热装置(22)的工作电流作为工作参数来测量。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为获得实际值，由加热装置(22)加热的表面的温度在对至少一个工作参数测量值的基础上检测。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热装置包括至少一个电阻加热元件(62)，且其中电阻加热元件(62)的实际电阻值在工作电压和工作电流的测量值的基础上检测，且所述实际电阻值与代表期望温度的期望电阻值相比较。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，加热装置(22)由AC电流和AC电压驱动，并且实际温度分别通过一个半波工作电流和工作电压的时间特性的积分或从一个半波中工作电流和工作电压的最大值来检测，并且其中对于工作电流和工作电压的测量信号每个经过一个半波整流且每个半波在A/D转换器(94)中数字化，A/D转换器(94)连接到计算单元(96)上，根据工作电流和工作电压的半波时间特性的数字化值检测加热元件(62)的电阻值。

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