DE2241310A1 - Verfahren zur beruehrungslosen und materialunabhaengigen temperaturmessung an oberflaechen - Google Patents
Verfahren zur beruehrungslosen und materialunabhaengigen temperaturmessung an oberflaechenInfo
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Description
. 103/72 Me/ms
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur berührungslosen und materialunabhängigen
Temperaturmessung an Oberflächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen
und materialunabhängigen Temperaturmessung und/oder -regelung an Oberflächen mittels Infrarot-Pyrometrie, wobei das
Strahlungsgleichgewicht zwischen dem Messobjekt und einem geheizten kompensierenden Strahler hergestellt wird.
Die berührungslose Temperaturmessung an Oberflächen ist zwar in der Regel ungenauer als eine Kontaktmethode, muss aber in
der Technik stets dort gefordert werden, wo z.B. ein Objekt sich bewegt oder seine Oberfläche unbeschädigt bleiben muss.
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Neben der Möglichkeit, spezielle Farbstoffe, Dielektrika und andere Fremdkörper am Objekt anzubringen und ihr« temperaturabhängigen Eigenschaften auf Distanz zu beobachten,
bleibt im wesentlichen nur die Strahlungspyrometrie als
Nessmethode übrig. In der von jedem Körper ausgesandten
Wärmestrahlung steht grundsätzlich ein starkes und informationsreiches Signal zur Verfügung; doch kann dieses von
den meisten Strahlungspyrometern nicht voll ausgenützt werden, da der Emissionsfaktor des Objektes und die von ihm
reflektierte Umgebungsstrahlung die Messgrössen in nicht
genügend bekannter Weise beeinflussen. Wichtig für eine ge-
naue Messung der Temperatur mittels Wärmestrahlung ist daher das Fernhalten der Umgebungsstrahlung und die Elimination des Emissionsfaktors durch eine kompensierende Strahlung.
Es sind verschiedene Strahlungspyrometer bekannt, die nach diesem Prinzip arbeiten. Bei einem dieser Geräte wird die
vom Objekt emittierte Strahlung durch reflektierte Strahlung, die von einem wohldefinierten Strahler kommt, zu
Schwarzkörperstrahlung kompensiert. Geräte dieser Art sind aber auf Objekte mit praktisch spiegelnder Oberfläche beschränkt.
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Bei einem anderen Pyrometer wird eine hochreflektierende, integrierende Halbkugel auf das Messobjekt aufgesetzt. Bei
der Messung an blanken Metalloberflächen treten jedoch ■Schwierigkeiten auf, da die Halbkugel nicht vollkommen reflektiert.
Schliesslich wird bei einem dritten bekannten Gerät ein geschwärzter
Körper geheizt, bis in der dem Objekt gegenüberliegenden Oberfläche der Temperaturgradient verschwindet.
Die Temperatur wird dann durch ein Kontaktthermometer im Körper bestimmt. Hier ist es jedoch nachteilig, dass das
Gerät zeitlich träge ist und auch auf die häufig störenden konvektiven Luftströmungen anspricht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser und weiterer, nach obigem Prinzip arbeitender Messmethoden
zu vermeiden. Dies wird bei dem eingangs erwähnten Verfahren zur Temperaturmessung mittels Infrarot-Pyrometrie
mit geheiztem kompensierendem Strahler erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zwischen Strahler und Messobjekt ein
drehbares, einseitig verspiegeltes Flügelrad derart angeordnet wird, dass bei der Drehung des Flügelrads, in den
Zeitintervallen des Durchlassens der Strahlung vom Messobjekt durch die Flügelrad-Zwischenräume diese Strahlung
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auf ihrem weiteren Weg mit einem Infrarot-Detektor gemessen wird, während in den mit diesen Intervallen alternierenden
Zeiträumen der Abdeckung der besagten Strahlung durch einen Flügel des Flügelrads die vom kompensierenden
Strahler emittierte Strahlung an der dem Messobjekt abgewandten verspiegelten Fläche dieses Flügels reflektiert
wird und anstelle der abgedeckten Messobjekt-Strahlung"\
auf den Infrarot-Detektor fällt, so dass bei fehlendem Strahlungsgleichgewicht und somit Temperaturungleichheit
zwischen Messobjekt und Strahler am Ausgang des Infrarot-Detektors ein Wechselsignal erzeugt wird, dessen Frequenz
von der Drehzahl des Flügelrads bestimmt wird und das nach phasenempfindlicher Gleichrichtung auf eine Regeleinrichtung
gelangt, durch welche eine Wärmezufuhr im Sinne der Erzielung eines Strahlungsgleichgewichts zwischen Messobjekt
und Strahler so gesteuert wird, dass das Ausgangssignal am Detektor Null wird, was ein Kriterium dafür ist, dass
die gemessene Temperatur des Strahlers der Temperatur des Messobjektes entspricht.
Die Erfindung wird jetzt anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Messanordnung unter Zugrundelegung
des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens,
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Fig. 2 eine beispielsweise mögliche Ausführung des Flügelrads
2 in Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm des Detektorsignals bei stationärer Temperaturverteilung an einem rotierenden Messobjekt.
In Fig. 1 ist die zu messende Oberfläche mit 4 bezeichnet. ist der kompensierende Strahler in Gestalt eines zylindrischen
Metallkörpers von guter thermischer Leitfähigkeit (z.B. Cu). Der Metallkörper weist an einer seiner Grundflächen eine
halbkugelförmige Aushöhlung auf, die auf die Oberfläche des .Messobjektes (4) aufgesetzt / bzw. in seine unmittelbare Nähe
gebracht wird. 2 ist das im Inneren des Hohlraumes angeordnete Flügelrad ("chopper"), hier in schematisiertem Se-itenr
riss gezeichnet; in Draufsicht kann es etwa die in Fig. 2 gezeichnete Gestalt haben. Die dem Messobjekt abgewandten Flügelflächen
sind verspiegelt. Die .Drehachse des Flügelrads 2 ist durch einen längs der Mittelachse des Metallkörpers Γ
darin vorgesehenen Kanal nach aussen geführt und wird von
einem Motor 3 angetrieben. Ausserdem ist im Metallkörper 1 ein zweiter Kanal 6 vorgesehen, der bezüglich des Hohlraums
in radialer Richtung und unter einem spitzen Winkel "zum Drehachsen-Kanal verläuft, und zwar in solchem Abstand von
diesem Kanal» dass· die Flügel des Flügelrads 2 die vom
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Messobjekt 4 in den zweiten Kanal 6 einfallende Direktstrahlung abdecken können.
Mit 5 ist ein Infrarot-Detektor bezeichnet, der im gezeichneten Ausführungsbeispiel mit dem Hohlraum des Metallkörpers
1 über den zweiten Kanal 6 und einen diesen Kanal nach aussen
fortsetzenden Infrarot-Leiter 6' verbunden ist. Der Infrarot-Detektor
kann auch im Inneren des Metallkörpers 1 angeordnet und mit dem Hohlraum nur über den Kanal 6 verbunden sein.
Mit 7 ist eine den Metallkörper1umgebende Heizwicklung bezeichnet,
deren Speisung Über einen an sich bekannten und daher nicht dargestellten elektronischen Regelkreis gesteuert
wird, dem das Ausgangssignal des Infrarot-Detektors als Regelsignal
zugeführt wird; 8 ist ein in den Metallkörper 1 versenkbares Kontaktthermometer.
Zum Schutz des Flügelrads 2 und der konkaven Halbkugelfläche
des Hohlraums des Metallkörpers 1 kann die Grundfläche dieses Hohlraums mit einem infrarotdurchlässigen Fenster 9 abgeschlossen
sein.
Ausserdem kann, damit die StrahlungsVerhältnisse im Inneren
des Hohlraums möglichst genau dem Planckschen Gesetz folgen,
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die konkave Halbkugelfläche des Metallkörpers 1 geschwärzt
sein. Dies ist nicht nötig, wenn der Metallkörper 1 sehr nahe am Messobjekt 4 angeordnet ist oder gar auf ihm aufliegt
und der Durchmesser des Kanals 6, durch den die-Infrarotstrahlung
aus dem Hohlraum nach aussen gelangt, relativ klein ist.
Im normalen Betrieb, d.h. für die Temperaturmessung, rotiert,
das Flügelrad 2 mit konstantpr» »wobei in den Zeitintervallen,
in welchen die vom Messobjekt U emittierte Direktstrahlung durch die Flügel-Zwischenräume passieren kann (s. Fig. 2),
diese Strahlung durch den Kanal 6 bzw. den Infrarotleiter 6* auf den Infrarotdetektor 5 fällt und ein Ausgangssignal bestimmter
Amplitude erzeugt. In den mit diesen Intervallen alternierenden Zeiträumen, in welchen diese Direktstrahlung
durch die Flügel des Flügelrads 2 abgedeckt wird, gelangt dank der Verspiegelung der dem Messobjekt abgewandten Flächen
der Flügel Strahlung, die von der konkaven Halbkugelfläche
des Strahlers 1 emittiert und an diesen verspiegelten Flügelflächen reflektiert wird, in den Kanal 6 und fällt anstelle
der Direktstrahlung auf den Infrarotdetektor 5. Bei fehlendem Strahlungsgleichgewicht, d.h. bei Temperaturverschiedenheit
zwischen Messobjekt 4· und Strahler I1hat. das Detektor-Ausgangs
signal, wie unmittelbar ersichtlich, verschiedene Ampli-
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tuden je nachdem, ob die Direktstrahlung von 4 oder die reflektierte
Strahlung von 1 empfangen wird. Abgesehen von der Gleichstromkomponente, die ausgesiebt wird, ergibt sich am
Oetektorausgang demnach ein Wechselspannungssignal, dessen Phase je nachdem, ob die Temperatur des Strahlers 1 grosser
oder kleiner ist als die Temperatur des Messobjekts 4, um 180° verschieden ist. Dieses Signal wird phasenabhängig
gleichgerichtet und. als Regelsignal der besagten, nicht gezeichneten elektronischen Regeleinrichtung zugeführt, die den
Strom durch die Heizwicklung 7 in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Regelsignals (d.h. von der Phase des Detektor-Ausgangssignals
und somit vom Vorzeichen der Temperaturdifferenz zwischen Messobjekt und Strahler, s.o.) in der Weise
steuert, dass die Temperatur des Strahlers 1 je nachdem, ob sie niedriger oder höher ist als die Temperatur des Messobjektes
4, erhöht oder reduziert wird, bis das Wechselspannungssignal am Detektor-Ausgang - und somit auch das Regelsignal
- verschwindet. Dann ist das Strahlungsgleichgewicht und folglich auch die Temperaturgleichheit zwischen Strahler
1 und Messobjekt 4 erreicht, und die Strahlertemperatur - die auch die Temperatur des Messobjektes ist - kann am Kontaktthermometer
8 abgelesen werden.
Bei Prozessteuerungen wird die Temperatur des Strahlers 1 durch entsprechende Beeinflussung des Heizstromes mittels
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der Wicklung 7 auf die am Thermometer 8 abzulesende Soll-;
temperatur gebracht und das Ausgangssignal des Detektors 5
(nach phasenrichtiger Gleichrichtung, s.o.) direkt zur Prozesssteuerung eingesetzt. Da dadurch die thermische Trägheit
des Strahlers aus dem Regelprozess eliminiert wird, wird eine sehr kurze Ansprechzeit erzielt.
Bei der Messung von stationären Temperaturverteilungen an
einem relativ schnell rotierenden Objekt wird mit Vorteil
ein rasch ansprechender Infrarot-Detektor eingesetzt. Sein
Ausgangssignal, das durch Triggerimpulse mit den Umdrehungen
des Messobjektes synchronisiert ist, hat dann z.B. einen
Verlauf, wie er im Zeitdiagramm der Fig. 3 dargestellt ist (Kurve 10). In dieser Figur ist mit t die Zeitachse bezeichne+,
auf der Ordinatenachse ist das Detektorsignal· DS. aufgetragen.
T ist die für eine Umdrehung des Messobjektes benötigte Zeit. Das verspiegelte Flügelrad 2 dreht sich bei
dieser Art von Temperaturmessung viel langsamer als das :
Objekt, so dass das Detektorsignal für mehrere Umläufe des . Objektes 4 der Kurve 10 (Direktstrahlung·vom Objekt) oder
der Kurve 11 entspricht, deren Höhe durch die Temperatur des Strahlers 1 gegeben ist. Mit an sich bekannten elektronischen
Mitteln wird das Detektorsignal im Zeitintervall At stroboskopartig herausgegriffen9 phasenempfindlich gleichge-
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richtet CLn bezug auf das vom Flügelrad reflektierte Signal) und, wie oben beschrieben, zur Steuerung der Heizung 7 verwendet.
Dadurch lässt sich zunächst die Temperatur des Objektes am Ort, der der Zeitlage des IntervallsAt entspricht,
bestimmen. Durch Verschieben des IntervallsAt lässt sich nach und nach die ganze Temperaturverteilung abtasten.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren bringt gegenüber
den bekannten pyrometrischen Verfahren eine wesentliche
Verbesserung der Temperaturmessung speziell bei Objekten mit
niedrigem Emissionsfaktor für Temperaturen zwischen Raumtemperatur
und ca. 700 C.
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Claims (9)
1. Verfahren zur berührungslosen und materialunabhängigen Temperaturmessung und/oder -regelung an Oberflächen mittels
Infrarot-Pyrometrie,wobei das Strahlungsgleichgewicht zwischen
dem Messobjekt und einem geheizten kompensierenden Strahler hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
Strahler (1) und Messobjekf (1O ein drehbares, einseitig
verspiegeltes Flügelrad (2) derart angeordnet wird, dass bei der Drehung des Flügelrades (2) in den Zeitintervallen
des Durchlassens der Strahlung vom Messobjekt durch die Flügelrad-Zwischenräume
diese Strahlung auf ihrem weiteren Weg mit einem Infrarot-Detektor (5) gemessen wird, während in
den mit diesen Intervallen alternierenden Zeiträumen der Abdeckung der besagten Strahlung durch einen Flügel des Flügelrads
(2) die vom kompensierenden Strahler (1) emittierte Strahlung an der dem Messobjekt (^) abgewandten, verspiegelten Fläche
dieses Flügels reflektiert wird und anstelle der abgedeckten Messobjekt-Strahlung auf den Infrarot-Detektor (5) fällt,
so dass bei fehlendem Strahlungsgleichgewicht und somit Temperaturungleichheit zwischen Messobjekt (1J) und Strahler (1)
am Ausgang des Detektors (5) ein Wechselsignal erzeugt wird,
dessen Frequenz von der Drehzahl des Flügelrads (2). bestimmt wird und das nach phasenempfindlicher Gleichrichtung auf eine'
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Regeleinrichtung gelangt ,. durch welche eine Wärmezufuhr im Sinne der Erzielung eines Strahlungsgleichgewichts zwischen
Messobjekt (1O und Strahler (1) so gesteuert wird, dass das
Ausgangssignal am Detektor (5) Null wird, was ein Kriterium dafür 1st, dass die gemessene Temperatur des Strahlers (1)
der Temperatur des Nessobjektes (1O entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines kompensierenden Strahlers in Gestalt eines vorzugsweise zylindrischen Metallkörpers (1) von guter thermischer
Leitfähigkeit, der an einer seiner Grundflächen eine halbkugelförmige Aushöhlung aufweist, die auf die Oberfläche des Messobjektes (4) aufgesetzt bzw. in seine unmittelbare Nähe gebracht wird, dass die längs der Mittelachse des Metallkörpers
(1) durch einen darin vorgesehenen Kanal nach aussen geführte Drehachse des innerhalb des Halbkugel-Hohlraumes angeordneten
Flügelrads (2) von einem Motor (3) angetrieben wird, dass Im Metallkörper (1) ein zweiter Kanal (6) in bezüglich des HaIbkugel-Hohlraums vorzugsweise radialer Richtung und in solchem
Abstand vom Drehachsen-Kanal vorgesehen ist, dass die Flügel des Flügelrads (2) die vom Messobjekt (4) in den zweiten Kanal
(6) einfallende Direktstrahlung abdecken und gleichzeitig die an ihren Spiegelflächen reflektierte Strahlung der konkaven
-MalbkugeIflache in diesen Kanal (6) werfen können, und dass der
zweite Kanal (6) den Hohlraum des Metallkörpers (1) mit dem Infrarot-Detektor (5) verbindet.
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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,· dass
. die Halbkugelfläche des Metallkörpers (1) geschwärzt wird»
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarot-Detektor (5) im Inneren des Metallkörpers
(1) angeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarot-Detektor (5) ausserhalb des Metallkörpers (1) angeordnet ist und die Strahlung aus dem Hohlraum des
Metallkörpers (1) über einen Infrarot«Leiter (β1) empfängt,
der den zweiten Kanal (6) nach" aussen fortsetzt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5> dadurch gekennzeichnet,
dass der Metallkörper (1) von einer Heizwicklung (7.) umgeben ist und der durch diese Wicklung fliessende Heizstrom
durch das Ausgangssignal des Detektors (5) gesteuert wird, so dass die beim Verschwinden des Detektorsignals am Metallkörper
(1) gemessene Temperatur der zu bestimmenden Temperatur des Messobjektes (4) entspricht. . . , .
7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung ein-Kontaktthermometer (8) verwendet
wird, das in den Metallkörper (1) versenkt ist.
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8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz des Flügelrads (2) und der Halbkugelfläche des Hohlraums des Metallkörpers (1) die Grundfläche dieses Hohlraums mit einem infrarotdurchlässigen
Fenster (9) abgeschlossen ist.
9. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 für Prozesssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur
des Strahlers (1) auf die Solltemperatur gebracht und das Aus· gangseignal des Detektors (5) direkt zur Prozesssteuerung eingesetzt wird.
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe.
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