Verfahren zum Messen und Regeln der Temperatur eines strahlenden Korpers mit Hilfe eines Vergleichsstrahlers.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen und Regeln der Temperatur eines strahlenden Körpers mit Hilfe eines Vergleichsstrahlers unter Anwendung eines auf Wärmestrahlen anspreehenden thermischen Empfängers.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass Vergleiehsstrahler und Messobjekt stets ähnlichen thermisehen Bedingungen ausgesetzt werden, auch bezüglieh derjenigen Strahlungsanteile, die von der Umgebung auf das Messobjekt bzw. den Vergleichsstrahler fallen und von diesem zum Empfänger re flektiert werden.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren soll ermöglicht werden, beim kontinuierlichen Glühen von Metallen, bei Trocknungen, z. B. von Lacken oder sonstigen kontinuierlieh arbeitenden Erwärmungsvorgängen die Temperatur des zu erwärmenden Gutes fortlaufend durch Strahlungsmessgeräte zu erfassen und hiernaeh die Ofenverhältnisse einzustellen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeiehnung, die ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens darstellt, ausführlicher erläutert ; es zeigen :
Fig. 1 eine zur Ausübung des Verfahrens clienende Vorrichtung in schematischer Dar iellung,
Fig. 2 ein zugehöriges elektrisches Schaltungssehema und
Fig. 3 eine weitere Vorrichtung zur Aus übung des Verfahrens, ebenfalls in schemati- scher Darstellung.
In einem Durchziehofen 1 zum kontinuierlichen Glühen von Bändern 3 wird die Temperatur des Ofens mit Hilfe eines Thermoelementes 2 ermittelt. Die Temperaturstrahlung von z. B. durchlaufenden Metall- bändern 3 fällt durch eine Ofenoffnung4 durch ein geeignetes Fenster 5 über einen Umlenkspiegel 6 durch eine Linse 7 und durch eine Lochscheibe 8 auf einen Photowiderstand oder einen sonstigen geeigneten wärmestrahlungsempfindlichen Empfänger 9.
Von einem Bezugskörper 10, der sich ebenfalls im Ofen und vorzugsweise in der Nähe des zu überwachenden Materials 3 befindet und dessen Temperatur mit Hilfe eines Thermoelementes 11 laufend überwacht werden kann, fällt die Temperaturstrahlung durch die Ofenöffnung 4 und das Fenster 5 über einen Umlenkspiegel 12 und eine Linse 13 durch die Lochscheibe 8 ebenfalls auf den Wärmestrahlungsempfänger 9.
In den Strahlengang kann eine Glühlampe 14 durch einen Umlenkspiegel 15, der um eine Achse 16 drehbar ist, an Stelle der Photozelle eingeblendet werden. Der Spiegel 15 ist in der Fig. 1 im eingeblendeten Zustand dargestellt. In den andern Strahlengang kann eine Glühlampe 17 mit Hilfe des Spiegels 18 nach Drehung um die Achse 19 ebenfalls eingeblendet werden. Die virtuellen Bilder der beiden Lampen 14, 17 liegen am Ort des thermischen Empfängers 9, so dass die opti schen Systeme durch Abbildung der Lampen 14, 17 auf den Bezugskörper 10 bzw. das Mess- objekt 3 im gewünschten Sinne eingestellt werden können. Die Glühlampen 17 und 14 sind über eine Leitung 20 an einen Stromkreis ansehliessbar.
Die Loehseheibe 8 ist so eingerichtet, dass immer nur durch ein Loch am Umfang aus dem einen oder andern optischen System die Wärmestrahlung auf den Strahlungsempfän- ger 9 gelangen kann. Bei einer Drehung der Loehscheibe ergibt sich also eine wechselnde Beaufschlagung des Strahlungsempfängers durch zwei zu vergleichende Strahlungen. Die Lochscheibe wird durch einen Motor 21 angetrieben. Auf der gleichen Achse 23 befindet sieh ein Hilfsgenerator 22, der die gleiche Anzahl Pole wie die Lochscheibe am Umfang Löcher besitzt.
Hieraus ergibt sieh, dass bei einer Drehung der Scheibe die entstehende Frequenz am Strahlungsempfänger die gleiehe ist wie die des von dem IIilfsgenerator 22 erzeugten Wechselstromes. Die Spannung des Hilfsgenerators 22 wird durch die Leitung 24 einer Phasenbrüeke in dem Verstärkergehäuse 26 zugeführt. Die Spannung des Strahlungsempfängers, der in diesem Falle ein Photowiderstand ist, wird durch eine Leitung 25 ebenfalls dem Verstärker 26 zugeführt. Nach Verstärkung und Gleichrichtung kann bei geeigneter Schaltung über eine Phasenbrüeke, die unten näher beschrieben wird, an einem Null-Instrument 27 erkannt werden, ob die Temperatur des Bandes 3 höher oder tiefer als die des Vergleiehskörpers 10 ist.
In der Fig. 2 ist die grundsätzliche Schaltung des elektrischen Teils zu erkennen. Die Widerstandsänderungen, welche durch ver schiedene Temperaturstrahlungen in dem Photowiderstand 9 entstehen, der z. B. ein PbS- (Bleisulfid)-Photowiderstand sein kann, dessen maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von etwa 2, 5 u liegt, werden als entsprechende Spannungssehwankungen über die Leitung 25 an das Gitter einer Verstär- kerrohre 28 angelegt.
Zwei weitere Verstär- kerstufen 29 und 30 gehen in der Primärspule des Transformators 31, welcher sieh im Anodenkreis der Röhre 30 befindet, einen ausrei- chend grossen Strom.
Von dem Hilfsgenerator 90, dessen Rotor, wie schon ausgeführt, die gleiche Anzahl Pole wie die Lochscheibe Locher besitzt, wird in der dargestellten Weise der entstehende Wechselstrom durch die Leitung 24 über den Gleichrichter 33 und 34 einer Phasenbrüeke zugeleitet. Die Phasenbrüeke erhält über die Sekundärspule des Transformators 31 nach zweckmässiger Anpassung die verstärkten Zellenstrome gleiehfalls zugeleitet.
Ist die Beaufschlagung des Photowider- standes 9 bei Drehung der Lochscheibe 8 von beiden Strahlern 3, 10 gleich gross, so ist die gesamte Phasenbrüeke im Gleichgewicht, und das Null-Instrument 27 wird keine Anzeige geben. Ist die Temperatur und damit die Temperaturstrahlung des zu überwaehenden Bandmaterials 3 eine höhere oder tiefere als diejenige des Vergleiehsl ; örpers 10, so wird jetzt das Null-Instrument in positiver md negativer Richtung ausschlagen.
In den Kreis des Null-Instrumentes ist noeh ein Relais 36 gesehaltet, wodurch ermöglicht wird, dass die Abweichung in positiver und negativer Rieh- tung einen Kontakt zwischen den Leitungen 39 mit 38 oder 39 mit 40 bildet. Das Ansprechen dieses Relais kann durch einen Drehwider- stand 35 so beeinflusst werden, dass die Re laissehaltungen bei grösseren oder geringeren Temperaturabweichungen erfolgen können.
Auf diese Weise wird es möglieh, einen zulässigen Toleranzbereieh, den das zu über- wachende Gut im Ofen haben darf, aboli- steeken. Wird dieser Toleranzbereieh überschritten, so werden Relais geschaltet, welche geeignet korrigierende Massnahmen, z. B. zur Änderung der Arbeitsgesehwindigkeit, im richtigen Sinne auslösen können.
In vielen FÏllen ist es erwünseht, dass die Brüeke sich im Gleiehgewieht befindet, obwohl eine Temperaturdifferenz zwischen dem zu überwachenden Ofengut 3 und dem Ver gleichsstrahler 10 vorhanden ist. In diesem Falle können in die jeweiligen Strahlengänge Filter 42 bzw. 43 (siehe Fig. 1) eingeschaltet werden. Die stärkere Temperaturstrahlung wird dann so geschwächt, dass das Brüekensystem ausgeglichen ist, obwohl unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliehe Wärmestrahlungen vorliegen. Man kann auch mehrere Vergleichsstrahler abwechselnd zur Temperaturübemachung heranziehen, und dadurch Temperaturbereiche abgrenzen und bei Erreichen bzw. Uberschreiten dieser Grenzen zur Anzeige bringen.
Es können sowoh] kleinste als auch grösste Temperaturintervalle hierdureh abgesteckt werden. Statt mehrerer Vergleiehsstrahler können auch ver sehiedene Filter zwecks Abgrenzung von Temperaturbereichen 42 bzw. 43 in zweck- mässiger Weise herangezogen werden.
Diese Arbeitsweise kann besonders erwünseht sein, um innerhalb einer Ofenanlage eine abweichende Strahlungsemission des zu überwaehenden Gutes in einem gewünschten Grade ausgleichen zu können. Bei dem be sehriebenen Verfahren erhält der Strahlungsempfänger 9 nicht nur die Wärmestrahlung, die sieh aus der Strahlungsemission bei einer bestimmten Temperatur für die Körper 3 und 10 ergibt, sondern bei höherer Ofenwandtemperatur auch einen Teil der Strahlung dieser Ofenwand durch Reflexion.
Da nun die Strahlungsemission bei gleieher Temperatur sich bei einer dunkleren Oberfläche vergrössert, würde bei einer Än- clerung des Oberfläehenzustandes bei gleicher Temperatur eine stärkere Temperaturstrah- ] ung abgegeben und damit ein höherer Tem peraturwert vorgetäuscht.
Anderseits wird die Reflexion der Ofenwandstrahlung um so geringer, je höher der Schwärzungsgrad an der Oberfläche des zu überwachenden Körpers ist. lIat die Ofenwand eine ganz bestimmte höhere Temperatur als das zu überwaehende rut, so kann erreicht werden, dass sich am Strahlungsempfänger 9, der die Summe der Emissions-und Reflexionsstrahlen erhält, immer eine angenähert gleiche Beaufsehlagung durch Wärmestrahlung entsprechend der Materialtemperatur ergibt, obwohl der Schwärzungsgrad der Oberfläche des zu überwachenden Gutes in gewissen Grenzen sehwankt.
Da der Vergleiehskörper 10 sieh dauernd im Ofenraum befindet, wird dieser normale- weise eine höhere Temperatur besitzen als das zu überwaehende Gut 3. In diesem Falle muss durch das Filter 43 erreicht werden, dass die Temperaturstrahlung von dem Vergleichs- lörper 10 um den gewünschten Betrag, der sich durch die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen Ofenraum und Glühofen ergibt, geschwächt wird.
In der Fig. 3 ist schematisch eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Ver gleichsstrahler ausserhalb des Ofenraumes, z. B. auf der Ofendecke, angeordnet ist. Die Temperaturstrahlung des zu überwachenden Ofengutes 3 fällt durch Messtriehter 4, Absehlussfenster 5, Filter 42, Linse 7, Lieb. t- seheibe 8 auf den thermischen Empfänger 9.
Der Vergleichsstrahler 47, dessen Temperatur durch ein Thermoelement 46 überwacht wird und der sich in einem ausserhalb des Ofens angeordneten Behälter befindet, schickt seine Wärmestrahlung über Filter 43, Linse 13 und Lochscheibe 8 ebenfalls auf den ther misehen Empfänger 9, so dass bei Drehung der Lochscheibe 8, wie bereits beschrieben, der thermische Empfänger 9 abwechselnd mit den beiden zu vergleichenden Strahlungen beaufschlagt wird. tuber den Vergleichsstrahler 37 ist ein temperaturstrahlender, ringförmiger Korper 44 angeordnet, der beispielsweise elektrisch beheizt werden kann und dessen Temperatur an der Oberfläche durch Thermoelement 45 überwacht wird.
Die Temperaturstrahlung des Vergleichsstrahlers 47, der ebenfalls beheizbar ist, fällt durch eine Bohrung 48 in die Optik des Messgerätes.
Die Temperatur der Ofenwand wird durch das Thermoelement 2 überwacht. Die Temperatur des ringförmigen Körpers 44 kann nun mit Hilfe der beiden Thermoelemente 45 und 2 so eingestellt werden, dal3 die Summe der Eigenstrahlung des Vergleichsstrahlers 47 plus der von ihm reflektierten Strahlung des Zusatzstrahlers 44 den gleichen Wert besitzt wie die Temperaturstrahlung des Körpers 3 plus Deckenstrahlung des Ofens 1.
Eine automatische Regelung zur Erzielung der Temperaturgleichheit des Zusatzstrahlers 44 und der Strahlung des Ofens 1 kann z. B. mittels der Thermoelemente 45 und 2 so erreicht werden, indem man die beiden Thermoelemente gegeneinander schaltet und die Differenz-Thermospannung einem Null-Galvanometer zuführt. Ist dann die Thermospannung der beiden Thermoelemente infolge unter schiedlicher Temperaturen verschieden, so ergibt sich eine Abweichung in positiver oder negativer Richtung am Null-Instrument. Diese Abweichung kann in bekannter Weise dazu benutzt werden, z.
B. nach dem Prinzip der Fallbügelregler, jeweils eine Relaisanlage zu betätigen, welche durch An-oder Abschaltung einer Wärmequelle dafür sorgt, dass die Zusatzstrahlung des Körpers 44 und die Deckenstrahlung des Ofens 1 stets überein- stimmen.
Eine derartige Anwendung des Mess- verfahrens kann z. B. erforderlich werden, wenn aus besonderen, z. B. konstruktiven Gründen, die Anordnung des Vergleichsstrahlers im Ofen nicht möglich ist.
Eine Beeinflussung des Messergebnisses durch eine Verschmutzung des Ofenfensters 5 und unterschiedliche Absorptionsverhältnisse im Ofenraum können bei dieser Anordnung des Vergleichsstrahlers nicht vermieden werden.
Es ist zweekmässig, wenn der Stoff des Vergleiehsstrahlers der gleiche ist wie der Stoff des zu überwachenden Ofengutes, da andernfalls eine unterschiedliche Wärme- strahlungsemission bei gleicher Temperatur entstehen und dadurch die Anzeige verfälscht werden kann. Doch kann ein derartiger Untersehied zwischen der Strahlung des Mess- objektes und des Vergleichsstrahlers zugelassen werden, wenn die Unterschiede zwischen Vergleichsstrahlung und Messstrahlung mess- technisch ausgeglichen werden, oder zumindest in einem Strahlengang durch strahlenschwächende Mittel eine Abgleiehung beider Strahlungen durehgeführt wird.
Bei Anwendung des Verfahrens zur Über wachung thermischer Vorgänge auch ausser- halb von Ofenanlagen ist es lediglieh erfor derlieh, dass ein Körper, dessen Temperatur bekannt ist und z. B. durch Thermoelemente fortlaufend überwacht werden kann, sich so in Nähe der bewegten Stoffe befindet, dass mit Hilfe einer Messbrüeke, wie sie vorstellend bei einem Anwendungsbeispiel zur Durch- führung des Verfahrens erläutert ist, ein dauernd praktisch trägheitsloser Vergleich und damit eine fortgesetzte Überwachung der Temperatur ohne Berührimg und ohne Behinderung eines Arbeitsprozesses durchge- führt werden kann.
Die mit den beschriebenen Vorrichtungen erzielbaren Vorteile sind darin zu sehen, dass Änderungen in der Ofenatmosphäre, in der Strahlung, in Abschlussfenstern, durch Verschmutzen der Zellen oder Widerstände, Än- derl mgen an den Verstärkern, der elektrisehen Spannung usw. das Messergebnis nieht beeinflussen, da sich die Fehler durch Ver gleiehsmessungen kompensieren lassen.
Verwendet man zur Temperaturmessung des Ver gleichsstrahlers ein Thermoelement, so lässt sich die Messgenauigkeit des Thermoelementes mit der praktischen Trägheitslosigkeit einer Photozelle oder bei tieferen Temperaturen eines Photowiderstandes oder eines sonstigen thermischen Empfängers koppeln, so dass das durchlaufende Ofengut stetig und augenbliek- lich in seiner Temperatur erfasst wird und geeignete Massnahmen, z. B. eine Änderung der Durchlaufgeschwindigkeit, zur Auslosung kommen können, damit ein bestimmter Temperaturverlauf des zu behandelnden Gutes gesichert ist.