CH666128A5

CH666128A5 - Vorrichtung zum beruehrungslosen messen der temperatur an einer oberflaeche eines werkstuecks.

Info

Publication number: CH666128A5
Application number: CH1504/84A
Authority: CH
Inventors: Gunther Wulff
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1984-03-26
Filing date: 1984-03-26
Publication date: 1988-06-30
Also published as: US4607960A; JPS60218044A; GB8507363D0; IT1184204B; GB2156529A; DE3411342A1; DE3411342C2; IT8520072A0; GB2156529B

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Temperatur an der Oberfläche eines Werkstückes, mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten, in einem festliegenden Gehäuse angeordneten Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas beaufschlagbar ist.

In der DE-OS 3 247 697 ist eine Vorrichtung aufgezeichnet, welche sich die Wirkung des bekannten sogenannten hydrodynamischen Paradoxons zunutze macht, nach welchem ein aus einer Düse strömender Gasstrahl zwei in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete Flächen nicht voneinander ab-stösst, sondern anzieht. Das bedeutet, dass der Messstift dieser Vorrichtung der Oberfläche des Werkstückes berührungslos folgt, wobei auch die kleinsten Unebenheiten erfasst werden.

Der Erfinder hat sich nun zum Ziel gesetzt, diese in der DE-OS 3 247 697 beschriebene Vorrichtung auch zum Temperaturmessen von Oberflächen einzusetzen.

Zur Lösung der Aufgabe führt, dass der Messstift in dem Gehäuse in Axialrichtung bewegbar lagert und infolge eines durch das Druckgas erzeugten Strömungsunterdruckes zwischen Messstiftfuss und der Oberfläche des Werkstückes einen stabilen Abstand einhält, wobei in der Bohrung und am Messstiftfuss Thermoelemente angeordnet sind, welche ihre Messdaten an eine Aufnahmeeinheit abgeben. Hierfür ist es notwendig, dass für die gesamte Vorrichtung vor Inbetriebnahme eine Korrelationskurve erstellt wird, die in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Druckgases und der gemessenen Temperatur des Fusses die Ermittlung der Temperatur des Werkstük-kes erlaubt.

Eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Axialbohrung über eine Querbohrung im Messstift mit einer Ringkammer im Gehäuse in Verbindung steht, in welche eine Zuleitung für das Druckgas einmündet und in welcher Heizelemente angeordnet sind, die über Leitungen mit einer der Aufnahmeeinheit zugeordneten Regeleinrichtung in Verbindung stehen. Mit den Heizelementen wird bevorzugt die Temperatur des Druckgases in der Ringkammer auf die Temperatur gebracht, welche am Fuss des Messstiftes herrscht. Da diese wiederum versucht ist, sich der Temperatur an der Oberfläche des Werkstückes anzugleichen, wird in kürzester Zeit erreicht, dass die Temperatur des Druckgases gleich der Temperatur am Fuss des Messstiftes gleich der Temperatur an der Oberfläche des Werkstückes ist.

Diese so beschriebene Vorrichtung kann entweder allein dem berührungslosen Messen der Temperatur an einer Oberfläche eines Werkstückes dienen oder mit den konstruktiven Merkmalen der Vorrichtung zum Bestimmen und/oder zum Messen der Form eines Werkstückes nach der DE-OS 3 247 697 gekoppelt sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur einen Querschnitt durch eine erfindungs-gemässe Vorrichtung.

Eine Vorrichtung R zum berührungslosen Messen der Temperatur an einer Oberfläche 1 eines Werkstückes 2, beispielsweise eines Aluminiumbandes oder -profils, weist ein zylindrisches Gehäuse 3 auf, welches von einem in Richtung x bewegbaren Stift 4 durchsetzt ist.

Durch eine Zuleitung 5 wird Pressluft oder dgl. in eine Ringkammer 6 des Gehäuses 3 eingeleitet, welche mit einer axialen Bohrung 7 in dem Messstift 4 durch Querbohrungen 8 in Verbindung steht. Durch diese Axialbohrung 7 gelangt die Luft an einem scheibenförmig verdickten Fussteil 9 des Messstiftes 4 nach aussen, wobei sie in der gezeigten Gebrauchslage die Oberfläche 1 des Werkstückes 2 anströmt. Dabei befindet sich der Messstiftfuss 9 in einem Abstand s von der Oberfläche 1, in welchem es zu dem sogenannten hydrodynamischen Paradoxon kommt, d.h. der Messstiftfuss 9 wird infolge eines durch die strömende Luft erzeugten Unterdruckes zu der Oberfläche 1 hingezogen. Dies begünstigt auch das Verhältnis des Durchmessers Di der Axialbohrung 7 zu dem Durchmesser D2 des Messstiftfusses 9.

Der Luftweg ist in der Figur mit Pfeilen gekennzeichnet.

Da das Gehäuse 3 im Verhältnis zum Werkstück 2 feststeht, reagiert der Messstift 4 auf jede Unebenheit der Oberfläche 1, indem er sich in dem Gehäuse 3 in Richtung x nahezu kräftefrei bewegt. Um seinen Bewegungspielraum nicht zu begrenzen, kann der Messstiftfuss 9 dabei auch in ein dem Gehäuse 3 eingeformtes Sackloch 10 gleiten.

Die Ringkammer 6 ist nach oben hin durch einen Deckel 11 geschlossen. Sie dient der Aufnahme von — schematisch dargestellten — Heizelementen 12, welche an eine Regeleinrichtung 15 über Leitungen 14 angeschlossen sind. Dieser Regeleinrichtung 15 ist eine Aufnahmeeinheit 19 zugeordnet, welche über Leitungen 16 Messwerte von in der Bohrung 7 und in dem Messstiftfuss 9 gegenüber der Oberfläche 1 angeordneten Thermoelementen 17 und 18 aufnimmt.

Für die Funktionsweise dieser Vorrichtung R sind messtech-nisch zwei Betriebsfälle zu unterscheiden. Dabei gilt folgendes:

Ti = Temperatur des Thermoelementes 18 im Fussteil 9

T2 = Temperatur des Thermoelementes 17 in der Bohrung 7

Tx = Temperatur des Werkstückes 2 bzw. Substrats am Messort.

1. Die zugeführte Luft wird nicht vorgeheizt oder aber auf eine Temperatur gebracht, welche deutlich unter der zu messen5

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den Substrattemperatur liegt. Die Temperatur Ti wird dann einen Zwischenwert von Tx und der Zulufttemperatur T2 ergeben.

Die Zuordnung der zu messenden Temperatur Tx aus den beiden Messungen Ti und T2 kann experimentell bestimmt werden, womit die Kalibrierung der Messeinrichtung erfolgt. Es hat sich beispielsweise ergeben, dass für Tx = 400°C und T2 = 200°C die Temperaturmessung im Messschuh Ti = 343 °C ergibt. Durch Variation von Tx und Ermittlung der Temperaturanzeige Ti kann so die Zuordnung von Tj und Tx für jede Temperatur ermittelt werden, vorzugsweise im Gebiet 500°C Tx 100°C.

Für andere Temperaturwerte ist es vorteilhaft, die Temperatur T2 der Zuluft entsprechend zu erhöhen oder zu erniedrigen.

2. Wird durch vorzugsweise elektronisch geregelte Heizelemente 12 die Temperatur T2 der Zuluft so eingestellt, dass T2 = Ti wird, so findet für diesen Fall keine Wärmeübertragung vom Messobjekt 1, 2 zum Messstiftfuss 9 oder umgekehrt statt. In diesem Fall gilt entsprechend dem Wärmeleitgesetzt, dass die Messobjekttemperatur Tx gleich der Messlufttemperaturen Ti sowie T2 ist. Die Regelung sorgt dafür, dass T2 um den Wert von Ti schwingt, d.h. kurzzeitig über und anschliessend unter

Ti liegt. Aus diesem Grund wird die Reproduzierbarkeit der Messeinrichtung erhöht, wenn der arithmetische Mittelwert

Ti + T2

der Messobjekttemperatur gleichgesetzt wird. Für den oben beschriebenen Gleichgewichtszustand, bei welchem keine Wärmeübertragung vom Messobjekt auf den Messstiftfuss stattfindet, 10 ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

a) Sowohl der Abstand zwischen Messstiftfuss und Objektoberfläche muss nur genügend klein, nicht aber konstant sein (eine Schwankung von 0,02 auf 0,06 mm bleibt ohne Einfluss auf die Messung), ebenso wie auch die Wärmeleitfähigkeit des

15 Messobjektes.

Weil keine Wärmeübertragung stattfindet, bleibt die Wärmeleitfähigkeit der Messluft ebenfalls ohne Einfluss auf das Messresultat.

b) Da keine Wärme vom Messobjekt auf den Messstiftfuss 20 übertragen wird, findet keine thermische Beeinflussung des

Messobjektes statt, was für die exakte Temperaturmessung von ausschlaggebender Bedeutung ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Temperatur an der Oberfläche eines Werkstückes, mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten, in einem festliegenden Gehäuse angeordneten Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstift (4) in dem Gehäuse (3) in Axialrichtung (x) bewegbar lagert und infolge eines durch das Druckgas erzeugten Strömungsunterdruckes zwischen einem Messstiftfuss (9) und der Oberfläche (1) des Werkstückes (2) einen stabilen Abstand (s) einhält, wobei in der Bohrung (7) und am Messstiftfuss (9) Thermoelemente (17, 18) angeordnet sind, welche ihre Messdaten an eine Aufnahmeeinheit (15) abgeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialbohrung (7) über eine Querbohrung (8) im Messstift (4) mit einer Ringkammer (6) im Gehäuse (3) in Verbindung steht, in welche eine Zuleitung (5) für das Druckgas einmündet und in welcher Heizelemente (12) angeordnet sind, die über Leitungen (14) mit einer der Aufnahmeeinheit (15) zugeordneten Regeleinrichtung (19) in Verbindung stehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum berührungslosen Messen der Temperatur an einer Oberfläche eines Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Messstift und der Oberfläche des Werkstückes durch das Druckgas ein Unterdruck erzeugt und so der Messstift in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche gehalten wird, wobei der Messstift in dem Gehäuse bewegbar lagert, und dass die Temperatur in der Axialbohrung und am Messstiftfuss ermittelt wird und daraus die Temperatur der Oberfläche abgeleitet wird.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas auf die Temperatur des Messstiftfusses gebracht wird, wobei diese Temperatur an der Oberfläche des Werkstückes entspricht.