Strahlungstemperaturmeligerät.
Die Erfindung betrifft ein Strahlungstemperaturme¯gerÏt zum Messen von Temperaturen an Werkstüeken, vor allem bei Gliih-und Vergütungsprozessen.
Bei den bisher bekannten Verfahren der Temperaturbestimmung an Werkstücken im (Tlüh uncl Härteprozess wurde die vom Werkstück ausgehende Temperaturstrahlung über eine Optik einer Bolometeranordnung oder einem Thermoelement zugeführt. Die mit diesen Strahlungsempfängern verbundenen Anzeigeinstrumente gestatten es, die Grosse der zu messenden Temperatur abzulesen. Mit einem andern bekanntgewordenen GerÏt, dem Glühfadenpyrometer, wird die Temperatur des Werkstüekes durch den Farbvergleich mit der Temperatur eines entsprechend eingeregelten Glühfadens ermittelt.
Der Nachteil dieser Verfahren und Geräte besteht darin, dass ihnen eine grosse Trägheit anhaftet, so dass ihre Anwendung bei HÏrteprozessen mit relativ schnellen Temperatur änderungen nicht möglich ist. Anderseits versagen diese VTethoden, da die subjektive Be obachtung durch Ermüdung des Auges nid durch Einflüsse der Raumhelligkeit beeinträehtigt werden. Ebenfalls ist es nicht m¯glich, nach diesen Methoden die niedrig liegenden Anlasstemperaturen zu messen, da der sichtbare Antei] der Strahlung in diesen Fällen zu gering ist, um eine Temperatur- ermittlung, z. B. durch Farbvergleich, zu ermöglichen.
Es sind auch Temperaturmessgeräte bekannt, die mit Photozellen arbeiten und damit eine praktisch trägheitslose Anzeige liefern.
In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist ein solches Gerät in seinem prinzipiellen Auf- bau dargestellt. Auf die lichtempfindliche Zelle 1 gelangt die vom Prüfkörper 2 ausge- hende Strahlung über eine Optik 3. Die durch die Strahlungsbeaufschlagung von der Photozelle abgegebene Spannung wird über einen geeigneten Verstärker, in diesem Fall einen Gleichstromverstärker 4, einem Anzeigeinstru- ment 5 zugeführt, das in Temperaturgraden geeicht ist.
Eine andere Ausführungsform gestattete nicht den Temperaturwert zu bestimmen, son dern war so eingerichtet, dass die Abweichung von einer einstellbaren Solltemperatur durch Leucht-oder Klingelzeichen erkennbar wurde.
Dies wurde dadurch erreicht, dass dem Verstärker eine der Solltemperatur entspreehende Vorspannung zugeführt wurde. Die Abwei chung der von der Photozelle abgegebenen Spannung von der eingestellten Sollspannung bewirkte über Relais die Auslösung der Signaleinrichtungen als Zeichen für die Tem peraturabweichung. Um die optische Achse dieses Gerätes auf die Stelle des Prüflings einzustellen, dessen Temperatur gemessen werden soll, liess sich die Photozelle dureh eine Mattscheibe 6 (Fig. la) ersetzen und auf ihr durch visuelle Beobachtung das Gerät so justieren, dass die Photozelle von der Strah lung des zu messenden Prüfkörpers beaufschlagt wurde, wenn an die Stelle der Mattscheibe wieder die Photozelle geklappt wurde.
Diese Einstellmethode eignet sich jedoch nur in den FÏllen. in denen auf der Alattseheibe ein sichtbares Bild entsteht. In FÏllen tieferer Temperaturen ist die Justierung des Gerätes naeh dieser Methode nicht möglich. Da die Photozellen erfahrungsgemäss bei lÏngerem Betrieb ihre Eigenschaften verändern und ausserdem die Benutznng eines Gleich- stromverstärkers die Konstanz der Gesamt- anordnung ungünstig beeinflusst, ist die Ge nauigkeit dieser Geräte nieht so gross, wie es aus metallurgisehen Gründen f r die Inne- haltung der Temperaturtoleranzen erforder- lie, ist.
Dieser Nachteil wird beim Temperaturmessgerät nach vorliegender Erfindung behoben, das gekennzeichnet ist durch eine Photozelle als Empfangsorgan und einen Eichstrah- ler zur Durchführung einer ständigen auto- matischen Vergleichsmessung, zum Zweeke, die Inkonstanz der Photozelle in bezug auf Emp- findlichkeit auszuschalten.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsge genstandes sind schematisch in den Fig. 2 bis 9a der Zeichnung dargestellt.
Gemϯ Fig. 2 wird vor der Photozelle 1 eine Einrichtung in Form einer rotierenden Loch-oder Schlitzscheibe 7 angeordnet, die den auf die Photozelle treffenden Lichtstrom durch Zerhacken in eínen Weehselliehtstrom verwandelt. Diese Umwandlung könnte z. B. auch durch eine schwingende Blattfeder mit einer entsprechend aufgesetzten Blende erfolgen. Von der Photozelle wird dann eine Wechselspannung abgegeben, die über geeignete Wechselstromverstärker auf die ge wünsehte grouse gebracht werden kann.
Zweckmässigerweise werden Photozellen verwendet, deren Empfindlichkeit zur Erfassung auch der niedrigen Temperaturen bis ins Ultrarot reicht. Bei Belichtung verändern diese Photozellen ihren Widerstand und lie- fern damit an den Eingangsklemmen des VerstÏrkers eine Wechselspannung, wenn gemϯ Fig. 3 der Photozelle 1 über den Widerstand 8 eine Hilfsspannung 9 zugeführt wird. Diese Hilfsspannung wird durch einen Kondensator 10 von den Verstärkereingangsklemmen ferngehalten.
Cm die veränderlichen Eigenschaften der Zellen zu kompensieren, die Ungenauigkeit in der Temperaturangabe verursachen, wird bei dem Messgerät ein laufender Vergleich mit einer einstellbaren und eichbaren Strahlungsquelle vorgenommen. Eine Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Die vom Werkstiick 2 ausgeliende Strahlung fällt iiber die Optik 3 und die Lochscheibe 7 auf die Photozelle 1.
Ausserdem wird die Zelle von der Strahlung eines Eielistrahles 11, z. B. einer Gl hlampe, über eine Hilfsoptik 12 beaufschlagt. Beim Drehen der Lochseheibe fÏllt abwechselnd die zu messende und die Eichstrahlung auf die Photozelle.
In Fig. 5 sind die Verhältnisse genauer dargestellt, wobei die Lochscheibe in der Abwicklung im Schnitt gezeichnet ist. Bei ausgeschalteter Eichlampe wird die Messstrahlung bei rotierender Lochscheibe abwechselnd durch die Locher freigegeben bzw. durch die Stege zwischen den Lochern abgedeckt. Der zeitliche Verlauf des Lichtstromes auf der Photozelle ist in Fig. 5a dargestellt. Im umgekehrten Fall, das heisst, wenn keine Messstrahlung vorliegt, wird durch die Eichlampe ein Licht weehselstrom erzeugt, wie in Fig. 5b dargestellt, nur da¯ dieser Lichtwechselstrom um 180 in seiner Phasenlage gegenüber dem vorhergehenden Fall versehoben ist.
Sind nun die beiden Strahlungen von der Eichlampe und dem Messobjekt gleich gross, dann heben sich die beiden Liehtströme in ihrer Wirkung auf die Zelle auf. In diesem Falle trifft die Photozelle ein zeitlich konstanter Lichtstrom, so dal-,) sie eine Gleichspannung abgibt (siehe Fig. 5c). Je naehdem die Temperatur des Messobjektes von der eingestellten Temperatur der Eiehlampe im positiven oder negativen Sinne abweicht, wird die Phasenlage des entste- henden Wechsellichtes bei Temperaturab- weichungen beeinflusst.
Diese Tatsache wird benutzt, um die Tendenz des Temperaturgan- ges am Anxeigeinstrument sichtbar zu maehen oder Relais, die den Härtevorgang beein flussen sollen, zu betätigen.
Die am Verstärkerausgang entstehende Weehselspannung bei der Abweichung von der an der Eichlampe eingestellten Solltem peratur lasst nicht erkennen, ob diese Temperaturabweiehung im positiven oder nega- tiven Sinne vorliegt. Um dies zu unterschei- den, ist ein kleiner Generator 13 vorgesehen (s. Fig. 6), der mit der Achse der Lochscheibe fest verl) unden ist und dieselbe Frequenz liefert wie die Lochscheibe.
In bekannter Weise wird durch eine Phasenbr cke 14 die Verstär kerausgangsspannung hinsichtlieh ihrer Pha senlage mit der Hilfsspannung des Generators verglichen, und die Abweichung auf einem Instrument mit Nullpunkt in der Mitte nach Betrag und Richtung zur Anzeige gebracht.
In Fig. 7 ist eine andere grundsätzliche Anordnung zum Vergleich der zu messenden und der Eichstrahlung dargestellt. Es werden hier die beidell Strahllmgen dureh zwei voneinander versehiedene konzentrische Lochreihen der Loehseheibe 7'mit verschiedenen Frequenzen moduliert. Naeh gemeinsamer Verstärkung werden diese Frequenzen durch Filter 15 wieder ausgesiebt und in Gegeneinandersehaltung auf das Anzeigeinstrument 5 gegeben. Theoretisch ist es auch moglich, den Vergleich der beiden Strahlungen über getrennte Photozellen oder eine Doppelzelle vorzunehmen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass voneinander abweichende Photozelleneigenschaften die Genauigkeit der Anordnung beeinflussen.
Der (. rundgedanke der Erfindung, die Zellen- und VerstÏrkerschwankungen durch einen laufenclen Vergleich zwischen der zu messenden Strahlung und einer Vergleichs- strahlung auszuschalten, ist nicht an diese aufgeführten Beispiele gebunden, sondern lässt sich naeh versehiedenen Richtungen in seiner Ausführungsform abwandeln.
So kann in dem Gerät eine Einrichtung vorgesehen sein, die es gestattet, die optische Aehse auf die zu messende Stelle des Werkstückes einstellen zu können. Die Wirkungs- weise dieser Einrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Mittels einer Schwenkvorrichtung 16 kann an die Stelle der Photozelle eine Gliihlampe 17 geklappt werden. Es wird nun der Leuchtkörper der Glühlampe auf diejenige Stelle des Werkst ckes abgebildet, deren Temperatur zur Messung herangezogen wird.
Diese Einstellmethode ist im Gegensatz zu der vorherbesehriebenen Methode nicht an das glühende Werkstüek gebunden, sondern gestattet die Einstellung auch an kalten Werkstiieken, die keine sichtbaren Strahlungen aussenden. Unter Berücksichtigung der wirksamen Photozellenfläche und der optischen Daten der Aufnahmeoptik wird man zweckmässigerweise dem Lichtfleck eine solche Grosse geben, die der Grosse der auf dem Werkstüek zur Temperaturbestimmung herangezogenen Stelle entspricht. Wie in der in Fig. 9 dargestellten Messstellung gezeigt, wird die vorhandene Eichlichtquelle 11 praktischer- weise f r diesen Zweck mitbenutzt.
Beim Messvorgang wird die Eichlampe auf die Solltemperatur durch einen Reglerwiderstand 18 eingestellt, sie beaufsehlagt dann über eine kleine Hilfsoptik 12 direkt die Photozelle 1.
In der Justierstellung (Fig. 9a) wird z. B. über den Klappspiegel 19 die Eichstrahlung in den Strahlengang der Aufnahmeoptik 3 gelenkt. Dabei wird eine Kontakteinrichtung betätigt, die den Reglerwiderstand 18 aus sehaltet und so der Lampe eine solche Energie zuführt, die zur Erzeugung der notwendigen Helligkeit erforderlieh ist.
Radiation temperature detector.
The invention relates to a radiation temperature device for measuring temperatures on workpieces, especially in annealing and tempering processes.
In the previously known methods of determining the temperature of workpieces in the Tlüh and hardening process, the temperature radiation emanating from the workpiece was fed to a bolometer arrangement or a thermocouple via optics Well-known device, the filament pyrometer, the temperature of the workpiece is determined by comparing colors with the temperature of an appropriately regulated filament.
The disadvantage of these methods and devices is that they are very inert, so that their use in hardening processes with relatively rapid temperature changes is not possible. On the other hand, these V methods fail, since the subjective observation due to eye fatigue is not impaired by the effects of room brightness. It is also not possible to use these methods to measure the tempering temperatures, as the visible portion of the radiation is too low in these cases to determine the temperature, e.g. B. by color comparison to enable.
There are also temperature measuring devices known that work with photocells and thus provide a practically inertial display.
In Fig. 1 of the accompanying drawing, such a device is shown in its basic structure. The radiation emitted by the test body 2 reaches the light-sensitive cell 1 via an optical system 3. The voltage emitted by the radiation from the photocell is fed via a suitable amplifier, in this case a direct current amplifier 4, to a display instrument 5, which is shown in FIG Temperature degrees is calibrated.
Another embodiment did not allow the temperature value to be determined, but was set up in such a way that the deviation from an adjustable target temperature could be recognized by light or bell signals.
This was achieved by supplying the amplifier with a bias voltage corresponding to the setpoint temperature. The deviation of the voltage output by the photocell from the set target voltage caused the relay to trigger the signaling devices as a sign of the temperature deviation. In order to adjust the optical axis of this device to the position of the test object whose temperature is to be measured, the photocell could be replaced by a ground glass 6 (Fig. La) and the device could be adjusted on it by visual observation so that the photocell was removed from the beam treatment of the test object to be measured was applied when the photocell was folded back in place of the ground glass.
However, this setting method is only suitable in cases. in which a visible image is created on the Alattsehe disc. In cases of lower temperatures, it is not possible to adjust the device using this method. Experience has shown that the photocells change their properties during longer operation and the use of a direct current amplifier also has an unfavorable effect on the constancy of the overall arrangement, so the accuracy of these devices is not as high as is necessary for metallurgical reasons to maintain the temperature tolerances - lie, is.
This disadvantage is eliminated in the temperature measuring device according to the present invention, which is characterized by a photocell as the receiving element and a calibration radiator for performing a constant automatic comparison measurement for the purpose of eliminating the inconsistency of the photocell with regard to sensitivity.
Embodiments of the subject invention are shown schematically in FIGS. 2 to 9a of the drawings.
According to FIG. 2, a device in the form of a rotating perforated or slotted disc 7 is arranged in front of the photocell 1, which device converts the luminous flux striking the photocell into a light current by chopping it. This conversion could e.g. B. can also be carried out by a vibrating leaf spring with a corresponding aperture. An alternating voltage is then emitted by the photocell, which can be brought to the desired level via suitable alternating current amplifiers.
Photocells are expediently used, the sensitivity of which extends to the detection of low temperatures up to the ultra-red. When exposed to light, these photocells change their resistance and thus supply an alternating voltage to the input terminals of the amplifier if, according to FIG. 3, an auxiliary voltage 9 is fed to photocell 1 via resistor 8. This auxiliary voltage is kept away from the amplifier input terminals by a capacitor 10.
In order to compensate for the variable properties of the cells that cause inaccuracies in the temperature specification, a continuous comparison is made with the measuring device with an adjustable and calibratable radiation source. An embodiment is shown in FIG. The radiation emitted by the workpiece 2 falls through the optics 3 and the perforated disk 7 onto the photocell 1.
In addition, the cell from the radiation of an Eieliststrahles 11, z. B. an incandescent lamp, acted upon by auxiliary optics 12. When the perforated disc is turned, the radiation to be measured and the calibration radiation alternately fill the photocell.
In Fig. 5 the relationships are shown in more detail, the perforated disc is drawn in the development in section. When the calibration lamp is switched off, the measuring radiation is alternately released through the holes or covered by the webs between the holes while the perforated disk is rotating. The time course of the luminous flux on the photocell is shown in Fig. 5a. In the opposite case, that is, when there is no measuring radiation, a light alternating current is generated by the calibration lamp, as shown in FIG. 5b, only that this light alternating current is offset by 180 in its phase position compared to the previous case.
If the two radiations from the calibration lamp and the measurement object are now equal, the effect of the two light currents on the cell is canceled out. In this case, the photocell meets a temporally constant luminous flux, so that it emits a direct voltage (see FIG. 5c). The closer the temperature of the measuring object deviates from the set temperature of the electric lamp in a positive or negative sense, the phase position of the resulting alternating light is influenced in the case of temperature deviations.
This fact is used to make the tendency of the temperature rise visible on the setting instrument or to operate relays which are supposed to influence the hardening process.
The alternating voltage that arises at the amplifier output when there is a deviation from the setpoint temperature set on the calibration lamp does not indicate whether this temperature deviation is positive or negative. In order to distinguish between these, a small generator 13 is provided (see FIG. 6) which is permanently connected to the axis of the perforated disk and which supplies the same frequency as the perforated disk.
In a known manner, the amplifier output voltage is compared with the auxiliary voltage of the generator with respect to its phase position through a phase bridge 14, and the deviation is displayed on an instrument with zero point in the middle according to amount and direction.
FIG. 7 shows another basic arrangement for comparing the radiation to be measured and the calibration radiation. The two beam lengths are modulated here by two different concentric rows of holes in the hole washer 7 'with different frequencies. After being amplified together, these frequencies are filtered out again by filter 15 and placed against one another on display instrument 5. In theory, it is also possible to compare the two radiations using separate photocells or a double cell. However, this method has the disadvantage that photocell properties that differ from one another influence the accuracy of the arrangement.
The basic idea of the invention of eliminating the cell and amplifier fluctuations through a running comparison between the radiation to be measured and a comparison radiation is not bound to these examples, but can be modified in its embodiment according to different directions.
Thus, a device can be provided in the device which allows the optical axis to be adjusted to the point on the workpiece to be measured. The mode of operation of this device is shown in FIG. By means of a swivel device 16, an incandescent lamp 17 can be folded in place of the photocell. The filament of the incandescent lamp is now mapped to that point on the workpiece, the temperature of which is used for the measurement.
In contrast to the method described above, this setting method is not tied to the glowing work piece, but allows the setting also on cold work pieces that do not emit any visible radiation. Taking into account the effective photocell area and the optical data of the recording optics, the light spot will expediently be given a size that corresponds to the size of the location on the workpiece used to determine the temperature. As shown in the measurement position shown in FIG. 9, the calibration light source 11 that is present is practically also used for this purpose.
During the measuring process, the calibration lamp is set to the setpoint temperature by a regulator resistor 18; it then acts on the photocell 1 directly via small auxiliary optics 12.
In the adjustment position (Fig. 9a) z. B. steered the calibration radiation into the beam path of the recording optics 3 via the folding mirror 19. A contact device is actuated, which stops the regulator resistor 18 and thus supplies the lamp with such energy as is required to generate the necessary brightness.