CN107764400A - 用于确定条状物的温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定条状物的温度的方法，其特征在于下列步骤：在条状物的纵轴方向上沿着温度已知的背景辐射体输送所述条状物；在输送期间，借助位置分辨的热成像传感器在背景辐射体前方拍摄所述条状物，形成在热成像传感器的测量值区域上的积分，该测量值区域在任何时间都对位于所述背景辐射体前方的条状物区段完全地进行检测，由所形成的积分与参考值的比较得出所述条状物的温度。

Description

用于确定条状物的温度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定条状物、例如玻璃纤维或者丝线的温度的方法。例如玻璃纤维在拉丝塔中制成，所述拉丝塔完全可以具有大于30米的高度。在那里，玻璃纤维以接近3000m/min的速度由被加热到熔化温度的、具有大约100到250mm直径的预成型件被拉出。玻璃纤维自身(如果它要例如用于当今的数据传输线路)典型地具有在125μm的范围内的直径，该直径必须以在纳米范围内的精度来制造。

背景技术

在此，玻璃纤维在拉丝塔的加热区域中的拉出温度是至关重要的。对预成型件温度的调节应该尽可能如此进行，使得在变化的拉出速度下，在启动过程中就已经达到玻璃纤维的精确的直径，以使次品最少化。在拉丝塔的下部区域中，玻璃纤维穿过冷却段，在该冷却段中，玻璃纤维被冷却到尽可能恒定的低的温度，该温度例如为70℃。这样的冷却段经常用极其昂贵的氦运行，从而要避免不必要的冷却，以便不在非必要的情况下提高拉丝塔设备的运行成本。也是由于这个原因，精确地了解玻璃纤维的温度是重要的。此外，玻璃纤维通常接着冷却段设有涂层。对于该涂层，玻璃纤维恒定的温度是前提条件，以便使在这方面窄公差的涂层的厚度和同心度的波动最小化。当玻璃纤维的温度与涂层的最优温度特性不对应时，还可能由于滴漏效应在拉丝塔中形成结节和颈缩。

曾有过这样失败的尝试：借助热成像摄像机来确定这种运动的条状物、如玻璃纤维或者丝线的温度。在此，借助光学器件对焦地将要测量的条状物映射到热成像摄像机上。然后，由热成像摄像机所检测的测量值的最大值来确定温度。然而，该方法在实践中没有被证明为可靠的。一个关键的问题在于，相对于热成像摄像机的像素的时间常数，要测量的条状物快速的运动。例如在用于制造玻璃纤维的拉丝塔中，不可避免地会导致沿着其纵轴线输送的玻璃纤维的高频振动。例如，直径为125μm的玻璃纤维在拉丝塔中既横向于测量平面又纵向于测量平面完全以1毫米的幅度摆动。常用的热成像传感器的典型的热时间常数在10毫秒的范围中。在生产期间的其他运动或者相对于成像的热成像摄像机的非正交的定向也会导致测量误差。此外，在制造期间，例如由预制件可能没有完全竖直竖立引起的纤维从中部缓慢的游移会导致条状物的失焦。根据玻璃纤维制造商，这虽然会被识别，但从一定的程度开始才会被校正。

特别成问题的是在要测量的条状物中阐明的困难，所述条状物的温度信号仅稍微高于背景的温度信号。这例如发生在玻璃纤维由石英玻璃制成的情况下，所述玻璃纤维在对于热成像摄像机通常所感兴趣的从大约7到14μm的红外波长范围中，发出几乎如黑体所发出的热辐射(辐射率e＝0.95)一样的热辐射。另一问题在于，要测量的条状物、例如金属丝或者玻璃纤维的尺寸小于由热成像摄像机和光学器件组成的成像系统的光学分辨率。

所有这些问题导致：在目前，所述类型的用热成像传感器对条状物的非接触式的温度测量无法以足够更精确的并且更可靠的方式实现。

发明内容

因此，从所述现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的方法，借助该方法，可以以更精确的并且更可靠的方式测量条状物、例如丝线和玻璃纤维的温度。

本发明通过权利要求1的主题来实现该目的。有利的设计方案从从属权利要求、说明书和附图中得出。

本发明通过用于确定条状物的温度的方法来实现所述目的，该方法的特征在于下列步骤：

-在条状物的纵轴线方向上沿着已知温度的背景辐射体输送所述条状物，

-在输送期间，借助位置分辨的热成像传感器在背景辐射体前方拍摄所述条状物，

-形成在热成像传感器的测量值区域上的积分，该测量值区域在任何时间都对位于所述背景辐射体前方的条状物区段进行完全的检测，

-由所形成的积分与参考值的比较推断出所述条状物的温度。

按照本发明，在条状物的纵轴线方向上沿着背景辐射体输送所述条状物，并且在此期间由位置分辨的热成像传感器、尤其是线传感器或者面传感器(热成像摄像机)拍摄所述条状物。在任意情况下，通过热成像传感器可选地借助其光学器件构成的测量区域在任何时间都对在测量时刻位于背景辐射体前方的条状物区段在其宽度上进行完全的检测，并且此外对位于该条状物区段后方的背景辐射体的至少一部分进行检测，即尤其是即使当条状物在运行中发生运动或者位置偏差时也是如此。按照本发明的教导现在基于：替代热成像传感器的测量值的最大值，形成所有测量值在所评估的测量值区域中的积分，即，测量值区域被辐射的像素或类似物的面积。在此，该积分既包括在相应测量时间点位于背景辐射体前方的条状物区段，又包括背景辐射体，只要该背景辐射体位于测量值区域中。通过将所述积分与参考值比较、尤其是构成差，可以推断出条状物的温度。在此，本发明基于以下的认识，即，例如在条状物失焦时或者当条状物运动时，按照本发明所评估的积分总是基本上反映出关于条状物温度的整体信息。对于条状物在热成像传感器上的映射的近似模型表达基于正态分布，从而在此对于条状物的各种不同的焦点位置的正态分布下的积分，原则上得到一个恒定值，这是因为所述正态分布的宽度和高度彼此相应地变化。因此，在整个测量值区域上的积分与条状物的温度和尺寸近似成比例，并且仅略微地依赖于对焦，该对焦由条状物的位置得出。与评估该正态分布的最大值相反(该评估很大程度地取决于对焦)，按照本发明的方法即使在失焦时或者在变化地对焦时也可靠地提供正确的温度值。

因为背景辐射体的背景温度已知，在已知条状物的尺寸和辐射率时，例如可以由一方面在具有位于测量值区域中的条状物的情况下并且另一方面在不具有位于测量值区域中的条状物的情况下将在测量值区域上的积分的比较确定绝对条状物温度，即使在热成像传感器借助其光学器件并未最优地对焦到条状物上时或者在条状物的位置相对于热成像传感器的焦平面发生改变时也能确定绝对条状物温度。在此，背景辐射体的背景温度可以在适合的校准过程的范畴中被确定为在没有条状物的情况下在热成像传感器的测量值区域上的积分和对借助温度传感器如此获得的标度的参考，该温度传感器指示背景辐射体的相应的温度。

发明人因此已经认识到，振动的条状物将其热辐射仅分布在测量值区域较大的区段上，从而在测量值区域上的积分导致一个温度值，该温度值不依赖于：条状物是处于静止位置中还是具有由运动引起的模糊。此外，还可以借助按照本发明的方法在校准之后测量具有已知直径的非常细的条状物的温度。根据本发明，还可以精确地确定在条状物和背景辐射体之间非常小的温度差。

由于按照本发明的方法不依赖于条状物相对于热成像传感器和可选地其光学器件的对焦或者失焦，甚至可以故意引起失焦，以便例如防止超过热成像传感器的最大测量值并且因此截断测量值。热成像传感器或者面传感器的平面相对于要测量的条状物的位置倾斜也是没有问题的。

当条状物、例如丝线或者玻璃纤维例如围绕中间位置振动时，从而如所述的那样，以按照本发明评估的积分的均值得到恒定的、在很大程度上不依赖于对焦的值。对于朝向热成像传感器或者远离热成像传感器运动的条状物，却形成所测量的温度对位置的一定的依赖性，因为除了焦点位置的改变，总体到达热成像传感器的热量也发生改变。然而，这种依赖性可以通过补偿措施最小化，尤其是通过：使所确定的温度与热成像传感器的参考面建立彼此的联系。就此，按照本发明还令人意料不到地指出：即使在条状物到热成像传感器的距离变化时，按照本发明的方法也可靠地提供精确的值。这在此是令人意料不到的，因为从一个物体出发到达热成像传感器上的总热量原则上平方指数地依赖于距离。然而，通过按照本发明的在测量值区域上的积分可以获得可靠的测量结果。

如原则上已经说明的那样，可以选择在没有位于背景辐射体前方的条状物的情况下在测量值区域上的积分作为参考值。基于相应的校准，可以根据按照本发明形成的积分与该参考值的比较确定条状物温度的绝对值。

背景辐射体可以是接近黑体的辐射体。就此而言，只要这是实用的并且可以用合理的成本实现，就使用尽可能黑的辐射体。背景辐射体的温度可以借助温度测量装置测量。此外可能的是，借助加热装置将背景辐射体加热到预定的温度。借助背景辐射体及其已知的温度，热成像传感器可以校准到该温度值。

根据另一设计方案，可以在考虑所设定的或者所测量的条状物直径的情况下由形成的积分与参考值的比较推断出条状物的温度。为了获得不依赖于直径的温度结果，通常圆柱形的条状物的横截面或者直径必须已知。根据应用领域，采用预定的直径值作为温度确定的基础可以是足够的。但也可能：借助适合的测量装置独立地确定直径值，并且之后将该测得的直径值作为温度确定的基础。

此外，可以在考虑所设定的或者所测量的条状物辐射率的情况下由形成的积分与参考值的比较推断出条状物的温度。为了能够从热成像传感器的拍摄推断出绝对温度值，条状物的辐射率必须已知。根据辐射率在相应应用领域中的常数，设定一个辐射率并且将其作为测量的基础又是足够的。然而也可以要求：确定辐射率，尤其是当该辐射率显著波动时。

另一设计方案规定，将条状物大部分或者完全由背景辐射体包围。所述背景辐射体尤其可以是带有入口和出口的空腔辐射体，其中，条状物通过所述入口和出口被输送穿过空腔辐射体，并且所述空腔辐射体包括至少一个测量开口，位置分辨的热成像传感器通过该测量开口检测位于背景辐射体的内壁前方的条状物。热辐射已知地根据如下方程通过三个参数确定：

e+r+t＝1

其中，“e”表示辐射率，“r”表示反射率并且“t”表示透射率。例如对于金属丝可以由此出发，透射率例如在红外测量区域中实际为零。上面的方程于是如下简化：

e+r＝1

对于一个理想的黑体辐射体，反射率为零，这表示e＝1。对于真实的物体，例如对于金属丝，相反地，反射率r通常显著高于辐射率e。此外，辐射率依赖于因素、如表面特性或者温度而变化。因此，在实践中，要测量的运动的条状物的辐射率经常并且尤其是对于金属丝是未知的。

根据前述设计方案，因此可以通过要测量的条状物的外部的并且在所有侧上的辐射使辐射由于在方程e+r＝1中辐射率e<1而到1所缺少的部分通过空腔辐射体外部的辐射得以补偿。尤其是从空腔辐射体向要测量的条状物引导的热辐射被物体根据其反射率r反射，从而热辐射所缺少的部分通过所述外部辐射在一定程度上被“填充”到1。以此为基础，即使在辐射率未知的情况下，非接触式的温度传感器也可以校准到可再现的温度测量值。这种用于在辐射率未知的情况下非接触式地确定温度的方法例如由本发明的发明人的WO2014/090994A2已知。

原则上，可以选择热成像传感器的整个测量区域作为测量值区域。然而不言而喻地可以想到，替代整个测量区域、即尤其是包括热成像传感器的全部像素的区域，仅使用热成像传感器的整个测量范围的一部分作为测量值区域(感兴趣区域ROI)。就此而言有如下影响，例如在线传感器或者面传感器中，各个像素在其响应性能方面和其对各种不同的温度值的依赖性方面，由于无法避免的制造公差，以目前未知的方式区分开来。这既可以涉及各个像素不同的零点，又可以涉及取决于温度的不同上升。如果仅选择热成像传感器的整个测量区域的一部分区域作为测量值区域，则就此而言需要标准化，以便计算时消除开头所述的各种不同的温度依赖性。相反地，如果使用热成像传感器的整个测量区域作为测量值区域，则不需要这样的标准化。

以尤其实用的方式，可以使用红外热成像摄像机(所谓的辐射热测量计)作为热成像传感器。

同样如已经阐述的，条状物尤其可以是玻璃纤维或者金属丝。金属丝例如可以用作金属导体。当条状物为这样的金属丝时，所述条状物例如可以在按照本发明的温度确定之后在挤出设备中被设置塑料绝缘部。关于玻璃纤维，在温度确定时的要求和问题在开头已经阐述。在此，按照本发明解决的特别的问题由石英玻璃制成的典型的玻璃纤维的约为0.95的辐射率得出。然而，同样如开头所阐述的，借助按照本发明的方法可以可靠地确定精确的温度值。

同样如上面所阐述的，借助按照本发明的方法尤其是可以可靠地测量小尺寸的条状物。相应地，例如圆柱形的条状物可以具有小于500μm、优选小于250μm、进一步优选小于150μm的直径。例如玻璃纤维典型地具有约为125μm的直径。所允许的厚度偏差常常在10μm之下，尤其是未涂层的玻璃纤维可以具有小于1μm的可允许的厚度偏差。按照本发明，非常细的条状物即使在其直径小于热成像传感器的和可选地其光学器件的分辨能力时也可以可靠地被测量。

根据另一设计方案，在输送之前或者之后，条状物可以沿着背景辐射体并且根据按照本发明的温度确定，在冷却装置中冷却，该冷却装置优选为氦冷却装置。

此外，条状物可以在沿着背景辐射体输送之后并且根据按照本发明的温度确定，且尤其是在被引导穿过冷却装置之后，在涂层装置中被设置涂层。

按照本发明的方法尤其是可以在玻璃纤维拉丝塔中执行。

附图说明

接下来在附图的范围内进一步阐述本发明的一个实施例。图中示意性地示出：

图1为用于执行按照本发明的方法的装置的俯视图，

图2为根据图1的装置的侧视图，

图3为带有两个理论测量结果的图表，

图4为带有由图3的测量结果形成的两个积分的图表，

图5为具有按照本发明的温度确定的两个真实测量结果的图表，

图6为按照本发明的方法与现有技术的方法的比较的图表。

除非另有说明，在附图中，相同的附图标示的相同的对象。

具体实施方式

在图1和2中示出了一种用于执行按照本发明的方法的测量系统。在附图标记10处可以局部地看见穿过测量系统引导的圆柱形的条状物、例如金属丝或者玻璃纤维。带有光学器件14(在当前情况下为透镜14)的热成像传感器12检测在背景辐射体16前方的条状物10，该背景辐射体在当前情况下为基本上黑体的辐射体。背景辐射体16的温度通过温度传感器18确定。

条状物10在沿着背景辐射体16输送期间，在背景辐射体16之前由热成像传感器12、例如红外线传感器或者红外面传感器12拍摄。在图中未详细示出的评估装置求得在热成像传感器12的例如整个测量区域上的积分作为测量值区域，并且确定该积分与参考值的差。在当前的实施例中，可以选择在不带有穿过测量系统引导的条状物10的情况下在测量值区域上的积分作为参考值。在已知条状物10的直径和辐射率的情况下，可以在此基础上并且考虑利用温度传感器18所测量的背景辐射体16的温度，可靠地并且精确地以按照本发明的方式确定条状物10的温度。

这应该根据图3至6的图表更进一步地阐述。在图3中，在条状物相同并且温度相同的情况下，一方面对于静止的条状物10在附图标记20处——并且对于振动的条状物10在附图标记22处示出了测量信号沿着图1和2中的x方向的理论曲线。由热成像传感器测量的温度关于位置绘制。可见的是：在图3中绘出的两条曲线的最大值显著不同，虽然该条状物在两种情况下具有相同的温度。用于温度确定的最大值的评估因此与显著的测量误差相关联。

在图4中，在附图标记24处示出关于根据图3的曲线20的积分，并且在附图标记26处示出关于根据图3的曲线22的积分。所述积分分别得到在曲线24、26下方的面积。在图4中可见，在曲线24、26下方的面积实际相同，从而以该积分为基础来确定温度能看出不取决于条状物10的振动或者由此引起的运动模糊。

在5中，为了说明而绘出真实测量值。在附图标记20‘处可见对于好的对焦和静止的条状物的测量值曲线。在附图标记22‘处，在相同的温度和相同的条状物10的情况下，可见对于不好的对焦或者条状物10的振动的测量值曲线。

在图6中的图表在附图标记28处示出：根据现有技术的方法借助评估测量曲线在相同的条状物和相同的条状物温度的情况下的最大值所得出的温度值，然而在图1中条状物10的位置在z方向上、即朝向热成像传感器12或者远离热成像传感器12变化。可见的是，条状物10相对于热成像传感器12连同其透镜14的焦点变化的位置导致所确定的温度值的显著偏差。换言之，在评估图5中示出的测量曲线的最大值的情况下求得的温度值很大程度上依赖于条状物10相对于热成像传感器12和其透镜14的焦平面的位置。

在附图标记30处示出对于按照本发明的方法的同样的温度测量值曲线。在此清楚可见，条状物10在z方向上相对于热成像传感器12连同其透镜14的焦平面的位置对按照本发明的温度确定的结果没有显著影响。

Claims (19)

1.用于确定条状物(10)的温度的方法，其特征在于如下步骤：

-在条状物的纵轴线方向上沿着已知温度的背景辐射体(16)输送所述条状物(10)，

-在输送期间，借助位置分辨的热成像传感器(12)在背景辐射体(16)前方拍摄所述条状物(10)，

-形成在所述热成像传感器(12)的测量值区域上的积分，该测量值区域在任何时间都对位于所述背景辐射体(16)前方的条状物区段完全地进行检测，

-由所形成的积分与参考值的比较推断出所述条状物(10)的温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考值为在不具有位于背景辐射体(16)前方的条状物(10)的情况下在测量值区域上的积分。

3.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述背景辐射体(16)为接近黑体的辐射体。

4.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，借助温度测量装置测量所述背景辐射体(16)的温度。

5.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，借助加热装置将所述背景辐射体(16)加热到预定的温度。

6.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，在考虑条状物(10)所设定的或者所测量的直径的情况下，由所形成的积分与所述参考值的比较推断出所述条状物(10)的温度。

7.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，在考虑条状物(10)所设定的或者所测量的辐射率的情况下，由所形成的积分与所述参考值的比较推断出所述条状物(10)的温度。

8.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，将所述条状物(10)大部分或者完全由所述背景辐射体(16)包围。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述背景辐射体(16)为带有入口和出口的空腔辐射体，其中，所述条状物(10)通过所述入口和出口被输送穿过所述空腔辐射体，并且所述空腔辐射体包括至少一个测量开口，位置分辨的热成像传感器(12)通过该测量开口检测在背景辐射体(16)的内壁前方的条状物(10)。

10.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，选择所述热成像传感器(12)的整个测量区域作为测量值区域。

11.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述热成像传感器(12)为红外热成像摄像机。

12.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述条状物(10)为玻璃纤维或者金属丝。

13.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述条状物(10)所具有的直径小于500μm、优选小于250μm、进一步优选小于150μm。

14.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，将所述条状物(10)在沿着背景辐射体(16)输送之前或者之后在冷却装置中冷却，该冷却装置优选为氦冷却装置。

15.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，在沿着背景辐射体(16)输送之后在涂层装置中为所述条状物(10)设置涂层。

16.如上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，在玻璃纤维拉丝塔中执行所述方法。

17.用于确定条状物(10)的温度的设备，所述设备具有如下装置：

-输送模块，所述输送模块用于在条状物的纵轴线方向上沿着已知温度的背景辐射体(16)输送所述条状物(10)，

-拍摄模块，所述拍摄模块用于在输送期间借助位置分辨的热成像传感器(12)在背景辐射体(16)前方拍摄所述条状物(10)，

-积分模块，所述积分模块用于形成在所述热成像传感器(12)的测量值区域上的积分，该测量值区域在任何时间都对位于所述背景辐射体(16)前方的条状物区段完全地进行检测，以及

-推断模块，所述推断模块由所形成的积分与参考值的比较推断出所述条状物(10)的温度。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述背景辐射体(16)的温度借助温度测量装置被测量。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述背景辐射体(16)借助加热装置被加热到预定的温度。