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Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung eines strahlenden
Körpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturmessung
strahlender Körper nach der Vergleichsmethode an einer Fotozelle.
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Derartige Verfahren und Geräte werden angewendet, wenn es sich darum
handelt, schnell wechselnde Temperaturen zu messen und eine Regelung zu betreiben.
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Bekannte Anordnungen arbeiten derart, daß ein Teil der temperaturstrahlenden
Fläche mittels einer Optik auf dem Fenster der Fotozelle abgebildet wird, desgleichen
fällt das Licht einer Vergleichslampe auf die Fotozelle. Eine Modulationseinrichtung
in Form einer rotierenden Blende oder einer rotierenden Spiegelanordnung blendet
abwechselnd den Lichtstrahl vom Temperaturstrahler und den der Vergleichslampe ab.
Der Fotozellenstrom bildet dann einen mit der Frequenz der Blendenwechseln pulsierenden
Gleichstrom mit je nach Blendenform und -bewegung geformtem Verlauf. Es kommen in
der Praxis Sägezahn- und Rechteckspannungen vor. Wenn die Strahlung der Vergleichslampe
den gleichen Fotozellenstrom hervorruft wie die Strahlung der temperaturmäßig zu
messenden Fläche, erreicht der Wechselanteil des Fotozellenstromes sein Minimum,
das bei geeigneter Blendenform auch Null werden kann. Bei konstantem Abstand des
Glüh- oder Schmelzgutes ist also der Heizstrom der Vergleichslampe ein Maß für die
Temperatur des Strahlers. Der Vergleichslampenstrom ist regelbar.
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In einer Wechselstrombrückenschaltung wird der verstärkte Wechselanteil
des Fotozellenstromes mit einer Normalwechselspannung verglichen. Die Brücke ist
derart bemessen, daß im Falle der Strahlungsgleichheit der Brückenstrom Null wird
und bei Abweichung der Strahlentemperatur von dem durch den Vergleichslampenstrom
eingestellten Wert durch seine Polarität und Größe die Richtung und Höhe der Abweichungen
angibt.
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Der Vergleichswechselstrom muß nach Form und Frequenz dem Wechselanteil
des Fotozellenstromes entsprechen. Darum werden in den bekannten Anordnungen Synchronmotoren
zum Antrieb der rotierenden Blende benutzt. Bei Verwendung von Asynchronmotoren
muß mit der Welle des Antriebsmotors ein Generator gekuppelt sein, der eine entsprechende
Vergleichswechselspannung erzeugt.
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Die Verstärkung des z. B. rechteckig geformten Fotozellenstromes
erfordert komplizierte Verstärker, die sehr kostspielig sind und zum anderen eine
zusätzliche Fehlerquelle darstellen.
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Mit der Erfindung werden die angeführten Mängel weitgehendst vermieden.
Außerdem wird eine erhebliche Vereinfachung derartiger Anordnungen erreicht.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Weiterbildung
und besondere Anwendung einer bereits bekannten Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zum Konstanthalten der Temperatur von
Turbinenschaufeln, bei dem die Anteile
zweier durch Filter ausgesiebter Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge gemessen
werden. Zur Vermeidung von Meßfehlern infolge einer unterschiedlichen Alterung der
Fotozellen soll hierbei nur eine Fotozelle Verwendung finden, was durch die Anwendung
einer Modulationsvorrichtung erreicht wird, die aus einer einseitig eingespannten,
am Ende mit einem Blendenblech versehenen Blattfeder besteht, die in Schwingungen
versetzt wird und dabei die beiden unterschiedlichen Strahlungen abwechselnd auf
die Fotozelle fallen läßt. Da sich aber bei den verwendeten Bleisulfidfotozellen
die Empfindlichkeit infolge von Alterungserscheinungen in den verschiedenen SpektratbF
reichen unterschiedlich ändert, läßt sich auch durch die Modulationsvorrichtung
und die- Verwendung nur einer Fotozelle eine wesentliche Verbesserung der Anzeigegenauigkeit
nicht erreichen. Außerdem ist es bei der Vorrichtung erforderlich, verschiedene,
den Meßbereich und die Meßgenauigkeit bestimmende Teile fest einzujustieren, so
daß die Vorrichtung nur zur Erfassung einer einzigen Temperatur Verwendung finden
kann. Für den vorgesehenen Verwendungszweck, der Konstanthaltung der Temperatur
von Turbinenschaufeln, ist dies auch völlig ausreichend, eine unmittelbare Übertragung
des Verfahrens auf allgemeine Temperaturmessungen wird hierdurch jedoch unmöglich
gemacht.
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Erfindungsgemäß werden die angeführten Mängel bei der Temperaturmessung
strahlender Körper nach der Vergleichsstrahlenmethode dadurch beseitigt, daß die
Modulationseinrichtung so ausgebildet ist, daß von der Fotozelle ein sinusförmiger
Wechselstromanteil, vorzugsweise von der Netzfrequenz, an die Meß- oder Regelvorrichtung
abgegeben wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die
Modulationseinrichtung aus - einer
an sich bekannten, am Ende mit einem Blendenblech und gegebenenfalls mit einem Eisenjoch
versehenen, einseitig fest eingespannten Blattfeder besteht, die durch zwei wechselstrombetriebene,
in Reihe mit je einem Gleichrichter liegende Elektromagnete angetrieben ist und
die derartig angeordnet ist, daß das Blendenblech abwechselnd den Strahlengang Meßobj
ektFotozelle oder Vergleichslampe-Fotozelle freigibt oder sperrt, und daß die Fotozelle
mit einem parallel zur Bewegungsrichtung der Blattfeder verlaufenden Schlitzfenster
versehen ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gleiche Wirkung erzielt
wie bei dem Arbeiten mit den eingangs beschriebenen, bekannten Einrichtungen, jedoch
sind an Stelle der verhältnismäßig kostspieligen Synchionmotore nur ein oder zwei
einfache Elektromagnete erforderlich, ganz abgesehen von dem einfacheren Aufbau
der eigentlichen Modulationseinrichtung gegenüber den rotierenden Spiegel- oder
Blendenanordnungen. Vor allem aber ergibt sich infolge der rein sinusförmigen Fotozellenspannung
der Vorteil eines wesentlich einfacheren Aufbaus und einer geringeren Störanfälligkeit
der nachgeschalteten Verstärker.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung führt die Blende eine sinusförmige
Schwingung aus. Die Frequenz so entspricht zweckmäßig der Netzfrequenz. Im Ruhezustand
der Blende verdeckt diese je eine Hälfte der beiden Lichtwege.
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Wird die vom Meßobjekt ausgehende Helligkeit mit - Hs und die Zeit
mit t bezeichnet, so berechnet sich die vom Meßobjekt hervorgerufene, am Fotozellenschlitz
auftretende Helligkeit zu Hs Hs .
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H1= 2 + Sin(Ot.
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2 2 Das gleiche gilt für die von der Helligkeit Hv der Vergleichslampe
am Fotozellenschlitz verursachte Helligkeit H2, nur daß diese gegenüber der Helligkeit
H1 um 1800 phasenverschoben ist: Hv Hv H2 = 2 + 2 (sein dzt $- rr).
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Der Fotozellenstrom ist der Helligkeit proportional.
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Wird die Empfindlichkeit der Fotozelle mit c bezeichnet, so wird der
Fotozellenstrom 1 = c 11. Der durch die Helligkeit des Meßgutes hervorgerufene Strom
is ist also
der durch die Vergleichslampe ausgelöste Strom
Der Gesamtfotozellenstrom i wird durch Addition der Ströme i, und i, gebildet
Er setzt sich also aus einem Gleichstromanteil 2 (Hs+liv) und einem Wechselstromanteil
2 ' (H, - H,) sin o t zusammen.
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Bei Strahlungsgleichheit ist H8 = Oliv. Der eliminierte Wechselstromanteil
wird in diesem Fall gleich Null. Es ist dadurch möglich, eine genaue Anzeige zu
erzielen. Ist Hs <liv, so ist der Wechselanteil gegenüber dem Wechselanteil,
der fließt, wenn Hs > Hv ist, um 1800 phasenverschoben. Dadurch wird in einfacher
Weise eine Anzeige der Richtung der Abweichung gegeben, d. h., aus der Richtung
des Phasensprunges ist zu ersehen, ob die Helligkeit der Vergleichslampe oder des
Schmelz- bzw.
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Glühgutes größer ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach
der Erfindung schematisch dargestellt.
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Auf ein Schlitzfenster 1 einer Fotozelle fällt abwechselnd über einen
Kanal 3 das Licht des Meßgutes oder über einen Kanal 4 das Licht der Vergleichslampe,
je nach Stellung der Blende 5. Diese ist an einer in der Halterung6 einseitig fest
eingespannten Blattfeder 7 befestigt, die von zwei Elektromagneten 8 und 9 abwechselnd
aus der Ruhelage gezogen wird und so abwechselnd den Kegel 3 oder 4 freigibt bzw.
sperrt. Die Magnete 8 und 9 liegen in Reihe mit je einem Gleichrichter 10 und 11
und werden von einer sinusförmigen Wechselspannung, zweckmäßig der Netzwechselspannung,
gespeist. Die Bewegungsrichtung der Blattfeder verläuft parallel zur Längsrichtung
des noch zur Modulationseinrichtung gehörigen Schlitzfensters 1. Wird das eigentliche
Umblendsystem, bestehend aus Blattfeder, Blende und gegebenenfalls Joch, so bemessen,
daß dessen Eigenfrequenz in der Nähe der
Netzfrequenz liegt, so beschränkt sich die
von den Elektromagneten aufzubringende Leistung auf das synchrone Anstoßen der mechanischen
Schwingungen.
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Die Elektromagnete können daher klein gehalten werden.
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Unter Umständen reicht auch ein einzelner Magnet aus.
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Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Anordnung in einer Regelschaltung
verwendet. Mit dem Regler für den Strom der Vergleichslampe wird der Temperatursollwert
eingestellt. Ist der Wechselspannungsanteil gleich Null, so hat das Meßgut die gewünschte
Temperatur, und die Regelanordnung ist in Ruhe. Hat das Meßgut eine andere Temperatur,
so ist der Wechselanteil größer oder kleiner als Null. Seine Größe hängt von der
Größe der Abweichung und seine Richtung davon ab, ob die Temperatur des Meßgutes
unter oder über dem Sollwert liegt. Mit dem Wechselspannungsanteil werden dann bekannte
Regelvorrichtungen in üblicher Weise beaufschlagt.