CH321164A - Radiation pyrometer - Google Patents

Radiation pyrometer

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CH321164A
CH321164A CH321164DA CH321164A CH 321164 A CH321164 A CH 321164A CH 321164D A CH321164D A CH 321164DA CH 321164 A CH321164 A CH 321164A
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CH
Switzerland
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temperature
voltage
thermocouple
measured
radiation
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Application number
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German (de)
Inventor
Marinus Cupido Piet
Marie Van Gerwen Wilhe Jacobus
Original Assignee
Philips Nv
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

  

  



  Strahlungspyrometer    I) ie Erfindung bezieht sieh    auf ein Strah-.   lungspyrometer,    wie solche im allgemeinen zum Messen von Temperaturen von mehr als 800 bis   900     C verwendet werden.   Strahlungs-    pyrometer bestehen häufig aus einer Platte, auf die mittels eines optischen Systems das Bild einer Wärmequelle projiziert wird, deren Temperatur gemessen werden soll. Diese.



  Platte ist derart mit einem Thermoelement verbunden, dass dessen eine   Lotstelle    an   nällerllel    die Temperatur der Platte annimmt.



  Die andere Lötstelle hat die   Umgebungs-    temperatur, die beim Messen der Temperatur berücksichtigt werden muss. Es wurden bereits verschiedene Methoden zur Kompensation der Umgebungstemperatur bekannt. Eine derselben besteht in der Verwendung temperalurabhÏngiger WiderstÏnde, die parallel ocler in Reihe mit dem Thermoelement geschaltet sind. Die Erfindung bedient sich einer andern Methode, bei der eine nahezu vollständige Kompensation möglieh ist.



   WNenn mit Hilfe eines optisehen Systems das Bild der   Wä. rmequelle auf    die   Auffant-    platte geworfen wird, dann   kann die Be-      ziehung    zwischen der Temperatur der Platte, der Temperatur der Quelle und der   Umge-      hungstemperatur    durch den Ausdruck
TP4=0,85?B.sin2?/1+e . TB4+TO4 wiedergegeben werden.

   Dabei bezeichnet   Tp    die absoute Temperatur der Platte, TB die absolute Temperatur der Quelle,   To    die Umgebungstemperatur,?B den Bruchteil der Strahlung, der nicht vom optisehen System und der Glashülle der Vorriehtung absorbiert wird und zur Abbildung der Platte beitrÏgt, ? den halben Öffnungswinkel des   optisehen    Systems und e den Absorptionskoeffizienten der R ckseite der   Auffangplatte.

   Es    wird dabei angenommen, daR die Strahlungsquelle ein schwarzer Körper und die Vorderseite der Platte praktisch ein schwarzer Körper ist, dass die Glashülle besonders gut evakuiert und die Wärmeableitung durch die   Zuführungsdrähte    des Thermoelementes gegenüber dem   Strah-      lungsverlust    der   Auffangplatte vernaehlässig-    bar r ist.



   Fig.   1    der beiliegenden Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungsform eines Thermoelementes mit   Auffangplatte    in einem Glaskolben. Der Glaskolben ist mit   1      bezeich-    net ; die Platte 3, auf die mittels eines optischen Systems ein Bild der   Wärmequelle ge-    worfen wird, ist an den Drähten 4 des Thermoelementes befestigt.

   Diese Drähte sind   durch Bohrnngen    in einem Glimmerring hindurchgeführt, der a. uf zwei Durehführungsleite. rn 5 und   5'ruht.    Indem die Drähte des Thermoelementes nicht an den obern Enden der Leiter 5 und   5',.    sondern an waiter unten liegenden Punkten befestigt sind,   könnell    die Verluste infolge   der Wärmeableitung verrixi-    gert werden. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet   einen Pumpstutzen.   



   Die Grosse   ! PB    ist nicht konstant, sondern nimmt mit der Temperatur der Quelle zu. Bei richtiger Wahl dieser   Grouse    und des   Off-    nungswinkels des optischen Systems wird bei einer bestimmten Umgebungstemperatur die Beziehung zwischen TP und TB linear, was ein wesentlicher Vorteil der besehriebenen Vorrichtung gegenüber vielen andern Strahlungspyrometern ist. In Fig. 2 ist diese lineare Beziehung zwischen der Temperatur TB der Quelle und der Temperatur Tp der Platte dargestellt.



   Der Einfluss der Umgebungstemperatur ist aus Fig. 3 ersichtlich. Zwischen 20 und   100     C ist die Beziehung zwischen To und   ? p    praktisch linear, wenn die Temperatur der Quelle konstant ist. Diese Figur zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur der Platte und der Umgebungstemperatur für drei verschiedene Werte der Temperatur der Quelle.



   Es ergibt sich daraus, dass zum Ausgleich des Einflusses der Umgebungstemperatur die Grosse der dazu dienenden Wirkung auch von der zu messenden Temperatur abhängen muss, und zwar in dem Sinne, dass diese Wirkung bei   hoheren      Quellentemperaturen geringer    sein muss als bei niedrigeren, da. die Steilheit der die Beziehung zwischen den Grossen   7'p    und To angebenden Kurve bei höheren   Quellentemperaturen wesentlich geringer    ist als bei niedrigeren.



   Vorzugsweise wird in clen Kreis des ersten Thermoelementes mittels eines zweiten Thermoelementes eine   Ausgleichspannung    eingeführt, die sowohl von der   Umgebungs-    tempera. tur wie von der zu messenden Temperatur abhängig ist.



   Es sei bemerkt, dass es bekannt ist, bei Thermo, elementen zur direkten Alessung einer Temperatur, wobei also die warme   Lotstelle    in direktem Gleichgewicht mit der zu messenden Temperatur ist, ein zweites Thermoelement zum Ausgleichen des Fehlers der   kalten Lotstelle zu verwenden. Durch die    Merkmale der vorliegenden Erfindung wird kein Ausgleieh der kalten   Lotstelle herbei-    geführt ;   letzerer    wird im allgemeinen noch zusätzlieh durchgeführt werden müssen.



   Für die zuerst genannte Kompensation kann das zweite Thermoelement in der Um  gebung    des ersteren angeordnet werden, so da. eine von der   Umgebungstemperatur ab-      hängige    Spannung erhalten wird. Diese Spannung wird ganz oder teilweise in den Kreis des Messgerätes mittels eines Spannungsteilers eingeführt, wobei Mittel vorhanden sind, durch welche die Einstellung des   Spannungs-    teilers von der zu messenden   Temperatur ab-    hÏngig- gemacht wird.

   Vorzugsweise wird ein zweiter Spannungsteiler benutzt, an dem eine konstante Spannung wirksam ist und dessen Gleitkontakt mittels eines Servomotors gemeinsam mit einem Gleitkontakt des ersten Spannungsteilers bewegt wird, wobei die Speisespannung des Servomotors von dem Po  tentialuntersehied zwischen    den zwei Gleitkontakten abhängig ist und die   Spann. mgs-    teiler in einen Kreis aufgenommen sind, in dem eine dem ersten Thermoelement   entnom-    mene Spannung wirksam ist.



   Es kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Lage jedes   Gleitkontaktes    ein Ma¯ f r die Quellentemperatur ist.



   Fig.   4    dient zur Erläuterung der Wir  kungsweise    eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. In dieser   Figu. r bezeiehnet 1    den Kolben des Thermoelementes. Mit Hilfe dieses Elementes wird die Temperatur der Platte 3 gemessen, auf die ein Bild   der Wärmeqelelle    projiziert wird. Es wird angenommen, da3 die Platte 3 auf die in Fig.   1    dargestellte Weise befestigt ist ; sie ist vorzugsweise auf der   Bildseite gesehwärzt und auf    der andern Seite poliert, und verspiegelt. Der eine Leiter des Thermoelementes 4 kann unmittelbar mit dem Messgerät 9 und der andere mit einem Spannungsteiler 8 verbunden sein, an dessen Enden ein zweites Thermoelement 7 angeschlossen ist.

   Dieses Thermoelement liegt am Kolben   1    des ersten Thermoelementes an und liefert also eine Spannung, die bei Anwendung der an sich bekannten Kompensation der kalten Lotstelle auf die gewünschte Weise von der Temperatur des Kolbens   1      ab-    ist. An einen   bewegliehen Kontakt    des Spannungsteilers 8 ist die andere Klemme des   Messgerätes 9 angeschlossen. Wenn dafür    gesorgt wird, dass mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung die Lage des Kontaktes am Spannnngsteiler 8 auf die richtige Weise von der   Quellentempera. tur abhängig ist,    ergibt das Messgerät 9 eine nahezu völlig genaue Anzeige der zu messenden Temperatur.

   Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die in den Kreis des Gerätes 9 einzuführende Ausgleichspannung um so kleiner sein muss, je hoher die Quellentemperatur ist. Es muss also daf r gesorgt werden, dass bei höheren Temperaturen eine   iileinere    Spannung am m Spannungsteiler 8 abgegriffen wird als bei niedrigeren Temperaturen.



   Fig. 5 zeigt, die Schaltung einer beispielsweisen Ausführungsform eines Pyrometers nach der Erfindung. Dabei sind zwei Span  nungsteiler    13 und 14 vorhanden, von denen der erstere an eine Gleichspannungsquelle   17    mit. konstanter Spannung angesehlossen ist und der zweite  ber   veränderliche Wider-      stände    15 und 16 von einem Thermoelement 7 gespeist wird, das eine Spannung liefert, die von der Temperatur der unmittelbaren Um  des    rebung des Thermoelementes 4 abhängig ist.



  T. etzteres ist zwischen dem nach dem Widerstand 16 führenden Stromleiter des Thermoelementes 7 und dem Kreis des Spannungs  teilers 13 eingeschaltet.    Die   Gleitkontakte    der zwei Spannungsteiler sind durch   eine mecha-    nische Vorrichtung 12 miteinander gekuppelt, die mittels eines Servomotors 11 ver  sehiebbar    ist, und im übrigen an einen elek  trisehen    Verstärker 10 angeschlossen, in dem der   Potentialuntersehied    zwischen diesen Kontakten verstärkt wird. Der Servomotor 11 wird durch die Ausgangsspannung des Ver  stärkers    10 gespeist und   versehiebt    die Gleitkontakte in dem Sinne und so lange, bis die Spannung zwischen den Kontakten a. uf Null gesunken ist.



   Auf diese Weise wird eine sehr weitgehende Kompensation erzielt ; die Lage der   Gleitkontakte bildet    ein Mass für die Quellen  tempera. tur.    Es ist ersichtlich,   class    das die Kompensation nicht nur von der vom Thermoelement 7 gelieferten Spannung, sondern a. uch von der Spannung des Thermoelementes 4 ab  hängig    ist.



   Mit Hilfe der Widerstände 15 und 16 kann die riehtige Einstellung der   Anfangs-    und Endwerte der Ausgleichspannung erzielt werden.



  



  Radiation pyrometer I) he invention relates to a beam. lung pyrometers, such as those generally used to measure temperatures in excess of 800 to 900 C. Radiation pyrometers often consist of a plate onto which an image of a heat source, the temperature of which is to be measured, is projected by means of an optical system. This.



  The plate is connected to a thermocouple in such a way that one of its soldering points assumes the same temperature as the plate.



  The other solder point has the ambient temperature, which must be taken into account when measuring the temperature. Various methods for compensating for the ambient temperature have already been known. One of these is the use of temperature-dependent resistors that are connected in parallel or in series with the thermocouple. The invention makes use of a different method in which almost complete compensation is possible.



   WNenn with the help of an optical system the image of the Wä. If the heat source is thrown onto the mounting plate, the relationship between the temperature of the plate, the temperature of the source and the bypass temperature can be given by the expression
TP4 = 0.85? B.sin2? / 1 + e. TB4 + TO4 are reproduced.

   Tp denotes the absolute temperature of the plate, TB the absolute temperature of the source, To the ambient temperature,? B the fraction of the radiation that is not absorbed by the optical system and the glass envelope of the device and contributes to the imaging of the plate,? half the opening angle of the optical system and e the absorption coefficient of the back of the collecting plate.

   It is assumed that the radiation source is a black body and the front of the plate is practically a black body, that the glass envelope is particularly well evacuated and that the heat dissipation through the supply wires of the thermocouple is negligible compared to the radiation loss from the collecting plate.



   Fig. 1 of the accompanying drawings shows an exemplary embodiment of a thermocouple with a collecting plate in a glass bulb. The glass bulb is labeled 1; the plate 3, onto which an image of the heat source is projected by means of an optical system, is attached to the wires 4 of the thermocouple.

   These wires are passed through bores in a mica ring, which a. on two guide rails. rn 5 and 5 'rests. By not having the wires of the thermocouple at the upper ends of the conductors 5 and 5 ',. but are attached to points below, the losses due to heat dissipation can be reduced. The reference number 6 denotes a pump nozzle.



   The size   ! PB is not constant but increases with the temperature of the source. With the correct choice of this size and the aperture angle of the optical system, the relationship between TP and TB becomes linear at a certain ambient temperature, which is a significant advantage of the described device over many other radiation pyrometers. Figure 2 shows this linear relationship between the temperature TB of the source and the temperature Tp of the plate.



   The influence of the ambient temperature can be seen from FIG. 3. Between 20 and 100 C is the relationship between To and? p practically linear if the temperature of the source is constant. This figure shows the relationship between the temperature of the plate and the ambient temperature for three different values of the temperature of the source.



   It follows from this that, in order to compensate for the influence of the ambient temperature, the size of the effect used must also depend on the temperature to be measured, in the sense that this effect must be less at higher source temperatures than at lower temperatures. the steepness of the curve indicating the relationship between the quantities 7'p and To is significantly lower at higher source temperatures than at lower ones.



   Preferably, a compensation voltage is introduced into the circle of the first thermocouple by means of a second thermocouple, which both depends on the ambient temperature. ture depends on the temperature to be measured.



   It should be noted that it is known to use a second thermocouple to compensate for the error of the cold soldering point in thermocouples for direct measurement of a temperature, with the warm solder point being in direct equilibrium with the temperature to be measured. Due to the features of the present invention, the cold solder joint is not leveled out; the latter will generally have to be carried out additionally.



   For the former compensation, the second thermocouple can be placed in the vicinity of the former, so there. a voltage dependent on the ambient temperature is obtained. This voltage is wholly or partially introduced into the circuit of the measuring device by means of a voltage divider, means being available by means of which the setting of the voltage divider is made dependent on the temperature to be measured.

   Preferably, a second voltage divider is used, on which a constant voltage is effective and whose sliding contact is moved by means of a servo motor together with a sliding contact of the first voltage divider, the supply voltage of the servo motor being dependent on the potential difference between the two sliding contacts and the clamping. mg divider are included in a circle in which a voltage taken from the first thermocouple is effective.



   In this way it can be achieved that the position of each sliding contact is a Mā for the source temperature.



   Fig. 4 serves to explain the We action of an embodiment of the invention. In this Figu. r denotes 1 the bulb of the thermocouple. With the help of this element, the temperature of the plate 3 is measured, onto which an image of the heat source is projected. It is assumed that the plate 3 is fixed in the manner shown in Fig. 1; it is preferably blackened on the picture side and polished on the other side, and mirrored. One conductor of the thermocouple 4 can be connected directly to the measuring device 9 and the other to a voltage divider 8, at the ends of which a second thermocouple 7 is connected.

   This thermocouple is applied to the piston 1 of the first thermocouple and thus supplies a voltage which, when the known compensation of the cold solder point is used, is in the desired manner from the temperature of the piston 1. The other terminal of the measuring device 9 is connected to a moving contact of the voltage divider 8. If it is ensured that by means of a device, not shown, the position of the contact on the voltage divider 8 is in the correct manner from the source temperature. depends on the temperature, the measuring device 9 gives an almost completely accurate display of the temperature to be measured.

   From Fig. 3 it can be seen that the equalizing voltage to be introduced into the circuit of the device 9 must be smaller, the higher the source temperature. It must therefore be ensured that at higher temperatures a lower voltage is tapped at the voltage divider 8 than at lower temperatures.



   Fig. 5 shows the circuit of an exemplary embodiment of a pyrometer according to the invention. There are two voltage dividers 13 and 14, of which the former is connected to a DC voltage source 17. constant voltage is connected and the second is fed via variable resistors 15 and 16 from a thermocouple 7, which supplies a voltage which is dependent on the temperature of the immediate vicinity of the temperature of the thermocouple 4.



  T. The latter is switched between the conductor of the thermocouple 7 leading to the resistor 16 and the circuit of the voltage divider 13. The sliding contacts of the two voltage dividers are coupled to one another by a mechanical device 12, which is ver sehiebbar by means of a servo motor 11, and connected to an electrical amplifier 10 in which the potential difference between these contacts is amplified. The servomotor 11 is fed by the output voltage of the United amplifier 10 and shifts the sliding contacts in the sense and so long until the voltage between the contacts a. has dropped to zero.



   In this way, a very extensive compensation is achieved; the position of the sliding contacts is a measure of the sources tempera. door. It can be seen that the compensation not only depends on the voltage supplied by the thermocouple 7, but also a. It also depends on the voltage of the thermocouple 4.



   With the help of the resistors 15 and 16, the correct setting of the start and end values of the compensation voltage can be achieved.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Strahlungspyrometer mit Thermoelement, von dem eine Lotstelle der Strahlung der Wärmequelle ausgesetzt ist, deren Temperatur unter Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur gemessen werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um in den Kreis des Thermoelementes eine Kompensationsspannung einzuführen, die ausser von der Umgebungstemperatur a. uch von der zu messenden Temperatur abhängig ist. PATENT CLAIM Radiation pyrometer with thermocouple, of which a soldering point is exposed to the radiation of the heat source, the temperature of which is to be measured while compensating for the influence of the ambient temperature, characterized in that means are provided to introduce a compensation voltage into the circuit of the thermocouple which is outside the ambient temperature a. also depends on the temperature to be measured. UNTERANSPRÜCHE 1. Strahlungspyrometer naeh Patentan spruch, dadurch gekennzeiehnet, dass die Kompensationsspannung von einem zweiten Thermoelement geliefert wird, das der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. SUBCLAIMS 1. Radiation pyrometer according to patent claim, characterized in that the compensation voltage is supplied by a second thermocouple that is exposed to the ambient temperature. 2. Strahlungspyrometer nach Unteran- sprue, 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Thermoelement, das eine von der Temperatur der unmittelbaren Umgebung des zum Messen der Temperatur der Strahlungs- quelle dienenden Thermoelementes abhängige Spannung liefert, an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, mit dessen Hilfe in den Messkreis eine von der Temperatur der Umgebung des ersten Thermoelementes abhängige Spannung eingef hrt wird, wobei Mittel vorhanden sind, durch welche die dem Span nungsteiler entnommene Spannung von der zu messenden Temperatur abhÏngig gemacht wird. 2. Radiation pyrometer according to Unteran sprue, 1, characterized in that the second thermocouple, which supplies a voltage dependent on the temperature of the immediate vicinity of the thermocouple serving to measure the temperature of the radiation source, is connected to a voltage divider with the aid of which A voltage dependent on the temperature of the surroundings of the first thermocouple is introduced into the measuring circuit, means being provided by which the voltage taken from the voltage divider is made dependent on the temperature to be measured. 3. Strahlungspyrometer nach Unteran- spruch 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Spannungsteiler, an dem eine konstante Spannung wirksa. m ist und dessen Gleitkontakt mittels eines Servomotors gemeinsam mit einem Gleitkontakt des ersten Spannungsteilers bewegt wird, wobei die Speisespan- nung des Servomotors von dem Potentialunterschied zwischen den zwei Gleitkontak- ten abhÏngig ist und die Spannungsteiler in einen Kreis aufgenommen sind, in dem eine dem ersten Thermoelement entnommene Spannung wirksam ist, in der Weise, dass die Stellung der Gleitkontakte im abgeglichenen Zustand ein Mass für die zu messende Temperatur bildet. 3. Radiation pyrometer according to claim 2, characterized by a second voltage divider at which a constant voltage is effective. m and whose sliding contact is moved by means of a servomotor together with a sliding contact of the first voltage divider, the supply voltage of the servomotor being dependent on the potential difference between the two sliding contacts and the voltage dividers being included in a circle in which one of the first The voltage taken from the thermocouple is effective in such a way that the position of the sliding contacts in the balanced state forms a measure of the temperature to be measured.
CH321164D 1952-12-23 1953-12-21 Radiation pyrometer CH321164A (en)

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