DE102006017892A1

DE102006017892A1 - Body temperature measuring method for use during thermal process, involves subjecting body to radiation by electrically heated radiant emitter, and compensating error through additional measurement of electrical characteristics of emitter

Info

Publication number: DE102006017892A1
Application number: DE200610017892
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Kunz
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-31

Abstract

The method involves subjecting a body (1) to radiation by using an electrically heated radiant heater (3) with temperature. The radiation is reflected partially at the body in such a manner that a measuring error occurs during the temperature measurement. The error is compensated, where the compensation takes place through an additional measurement of the electrical characteristics of the radiant heater. An independent claim is also included for a device for providing the pyrometric measurement of the surface temperature of a body.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1, and a device according to the preamble of claim 16.

Stand der Technik und deren NachteileState of Technology and its disadvantages

Ein Körper soll einem thermischen Prozess unterzogen werden. Zwecks Prozesskontrolle wird seine Temperatur fortlaufend gemessen. Es ist bekannt, dass die Temperatur des Körpers berührungslos mittels Messung seiner emittierten Strahlung, d.h. durch Pyrometrie, gemessen werden kann. Bei dieser Messung sind Störeinflüsse von anderen Strahlungsquellen möglichst zu vermeiden, weil deren Strahlung am Körper teilweise reflektiert wird und der vom Körper emittierten Strahlung überlagert wird, was schließlich zu einem inakzeptablen Messfehler führen kann. Quellen für diese Störstrahlung sind oft elektrische Heizelemente, mit denen der zu behandelnde Körper erwärmt werden soll oder auch andere elektrisch beheizte Anlagenteile, wie z.B. Verdampferschiffchen, die dann typischerweise ein höhere Temperatur haben als der zu messende Körper und die störende Strahlung in Form von Wärmestrahlung emittieren. Die Störquelle wird deshalb im Folgenden auch „Wärmestrahler" oder „Heizer" genannt, wobei eine Anwendung der Erfindung voraussetzt, dass es sich um elektrische Widerstandsheizer handelt, d.h. die Heizer Erwärmen sich durch Kontaktieren mit einer Spannnungsquelle aufgrund von Joule'scher Wärme.One body should be subjected to a thermal process. For the purpose of process control its temperature is continuously measured. It is known that the temperature of the body contactless by measuring its emitted radiation, i. by pyrometry, can be measured. In this measurement are interference from other sources of radiation preferably to avoid, because their radiation on the body partially reflected and the body superimposed emitted radiation will be what finally can lead to an unacceptable measurement error. Sources for this Radiated are often electrical heating elements with which the person to be treated body heated should be or other electrically heated system parts, such as e.g. Evaporator boats, which then typically have a higher temperature have as the body to be measured and the disturbing Emit radiation in the form of heat radiation. The source of interference is therefore also referred to below as "heat radiator" or "heater", wherein an application of the invention assuming that they are electrical resistance heaters, i.e. heating the heaters by contacting with a voltage source due to Joule's warmth.

Nahe liegend ist es, für den Messfleck eine Stelle am Körper zu wählen, wo keine oder nur geringe Störstrahlung auftritt. Dies kann u. a. dadurch geschehen, dass der Messfleck innerhalb einer Vertiefung des Körpers positioniert wird, vgl. [Theory and practice of radiation thermometry, D. P. DeWitt, G. D. Nutter (Hrsg.), Wiley, New York, (1988), Seite 84-86]. Innerhalb der Vertiefung erfolgt eine weitgehende Abschattung der Störstrahlung.Near it is lying, for the measuring spot a spot on the body to choose, where no or only little interference occurs. This can u. a. by doing that, the measuring spot within a depression of the body is positioned, cf. [Theory and practice of radiation thermometry, D.P. DeWitt, G.D. Nutter (ed.), Wiley, New York, (1988), p 84-86]. Within the depression there is a large amount of shading the interfering radiation.

Sind am Körper keine Vertiefungen vorhanden bzw. erwünscht, so steht das Bestreben einer homogenen Beheizung meist der Forderung nach einem störstrahlungsfreien Messfleck entgegen. Aber auch aus anderen Gründen ist eine pyrometrische Temperaturmessung im Bereich der Störstrahlung oft unumgänglich.are on the body no depressions present or desired, so is the endeavor a homogeneous heating usually the demand for a Störstrahlungsfreien Measuring spot contrary. But for other reasons is a pyrometric temperature measurement in the field of interfering radiation often inevitable.

So ist oft nur die dem Heizer zugewandte Oberfläche des Körpers für die Messung geeignet, z.B. weil auf den anderen Oberflächen eine Prozesskammer den strahlungsoptischen Zugang behindert ist oder weil sich die anderen Oberflächen des Körpers infolge eines Beschichtungsprozesses derart verändern, dass dort der Emissionsgrad während der Messung nicht bekannt ist.So Often, only the heater-facing surface of the body is suitable for measurement, e.g. because on the other surfaces a process chamber is obstructed the radiation optical access or because the other surfaces of the body as a result of a coating process change that way that there the emissivity during the measurement is not known.

Selbst dann, wenn es gelingt den direkten Anteil der Störstrahlung abzuschirmen, kann die auf indirektem Weg, d.h. z.B. durch Reflexion an den Anlagenwänden, vgl. [Rapid Thermal Processing, R. B. Fair (Hrsg.), Academic Press, Boston, (1993), Seite 369-371], auf den Körper fallende Störstrahlung die Messung verfälschen.Even then, if it is possible to shield the direct portion of the interfering radiation, can indirectly, i. e.g. by reflection at the plant walls, cf. [Rapid Thermal Processing, R.B. Fair (ed.), Academic Press, Boston, (1993), pages 369-371], incident on the body interference falsify the measurement.

Im Folgenden wird es ausschließlich um Verfahren gehen, bei der der Messfleck des zu messende Körpers im Einflussbereich eines Wärmestrahlers liegen muss, und keine vollständige Abschattung der Heizerstrahlung am Messfleck praktikabel ist.in the The following will be exclusive to go to procedures in which the measuring spot of the body to be measured in Influence of a heat radiator lie must, and not complete Shadowing the heater radiation at the spot is practicable.

Einige pyrometrische Verfahren beruhen darauf, dass zwischen Heizer und zu messendem Körper ein Filter angebracht wird, das bei einer gewissen Wellenlänge λ die Heizerstrahlung absorbiert und der Strahlungsdetektor bei dieser Wellenlänge λ misst. Nachteilig ist, dass an ein solches Filter oft hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Die Abmessung des Filters muss ausreichend sein um die gesamte Heizerstrahlung zumindest im Bereich des Messfleckes auszufiltern. Aufgrund der Strahlung wird das Filter erhitzt und muss somit hohe Temperaturen aushalten.Some Pyrometric methods are based on that between heater and body to be measured a filter is applied, which at a certain wavelength λ the heater radiation absorbed and the radiation detector at this wavelength λ measures. adversely is that such a filter often made high demands Need to become. The dimension of the filter must be sufficient around the entire heater radiation at least in the area of the measuring spot filter. Due to the Radiation heats the filter and thus has high temperatures withstand.

Einige dieser Verfahrens bestehen darin, die strahlungsfilternden Eigenschaften eines transparenten und hitzebeständigen Werkstoffes wie z.B. Quarzglas auszunutzen, vgl. [Rapid Thermal Processing, R. B. Fair (Hrsg.), Academic Press, Boston, (1993), S. 387-389]. So können als Strahler z.B. Lampen mit einem Kolben aus Quarzglas eingesetzt werden. Misst der Strah lungsdetektor dann bei einer Wellenlänge λ von mehr als 5 μm, so wird die potentiell störende Heizerstrahlung bereits am Kolben herausgefiltert. Störend kann sich in diesem Fall die von den heißen Kolben emittierte Strahlung auswirken, vor allem dann, wenn die Kolben heißer werden als der Körper. Beträchtliche Schwierigkeiten ergeben sich für dieses Verfahren dann, wenn der Körper ebenfalls von Quarzglas umgeben ist, das z.B. als Prozesskammer dient und ein optischer Zugang nur durch die Kammerwand hindurch möglich ist. In diesem Fall ist es erforderlich in die Prozesskammer ein Fenster aus einem für die Messstrahlung λ durchlässigem Material wie z.B. Kalziumfluorid zu integrieren. Da das Fenster im Strahlungsbereich ist, werden hohe thermische Anforderungen gestellt.Some This method consists of the radiation-filtering properties a transparent and heat-resistant material such as e.g. quartz glass to exploit, cf. [Rapid Thermal Processing, R.B. Fair (ed.), Academic Press, Boston, (1993), pp. 387-389]. So can as Radiator e.g. Lamps are used with a quartz glass flask. The radiation detector then measures at a wavelength λ of more than 5 μm, so will the potentially disturbing Heater radiation already filtered out at the piston. Can be disturbing in this case the radiation emitted by the hot pistons especially if the pistons get hotter than the body. considerable Difficulties arise for this method is used when the body is also made of quartz glass surrounded, e.g. serves as a process chamber and an optical Access only through the chamber wall is possible. In this case is it requires in the process chamber a window of a permeable to the measuring radiation λ material such as. To integrate calcium fluoride. Because the window in the radiation area is, high thermal demands are made.

In einem dieser Verfahren wird deshalb zusätzlich eine Quarzglasplatte als Filter eingefügt, die so präpariert ist, dass sie bei ca. 2,7 μm eine starke Absorptionsbande aufweist, bei der dann gemessen wird, vgl. [Patent DE 4 012 615 , H. Walk, A. S. T. elektronik GmbH (1991)]. Die Messung erfolgt dann bei 2,7 μm durch ein Quarzglasfenster ohne Behandlung, d.h. ohne die genannte Absorptionsbande. Der Aufwand bei diesem Verfahren für die zusätzliche speziell behandelte Quarzglasplatte ist allerdings beträchtlich.In one of these methods, therefore, a quartz glass plate is additionally inserted as a filter, which is prepared in such a way that it has a strong absorption band at about 2.7 μm and is then measured, cf. [Patent DE 4 012 615 , H. Walk, AST elek tronik GmbH (1991)]. The measurement then takes place at 2.7 μm through a quartz glass window without treatment, ie without the abovementioned absorption band. The expense of this process for the additional specially treated quartz glass plate, however, is considerable.

Andere pyrometrische Verfahren beruhen darauf, dass zur Bestimmung der Störstrahlung ein zweiter Detektor installiert wird. So ist z.B. in [Theory and practice of radiation thermometry, D. P. DeWitt, G. D. Nutter (Hrsg.), Wiley, New York, (1988), Seite 892] beschrieben, wie ein zusätzlicher Detektor auf einen kalten Reflektor gerichtet wird, an dem die Strahlung des Heizers (in diesem Fall ein Brenner) reflektiert wird. Im Idealfall ist die am Reflektor gestreute Strahlungsintensität exakt gleichgroß wie die am Körper (in diesem Fall ein Roheisenblock) gestreute Intensität, so das sich nach Subtraktion exakt die emittierte Intensität des Körpers ergibt. Problematisch sind Inhomogenitäten hinsichtlich Strahlung des Heizers, weil dann der Reflektor und der Körper unterschiedlichen Strahlungsintensitäten ausgesetzt sind.Other Pyrometric methods are based on the fact that for the determination of Radiated a second detector is installed. For example, e.g. in [Theory and practice of radiation thermometry, D.P. DeWitt, G.D. Nutter (ed.), Wiley, New York, (1988), page 892], as an additional Detector is aimed at a cold reflector, where the radiation of the heater (in this case a burner) is reflected. Ideally is the radiation intensity scattered at the reflector exactly same as the on the body (in this case a pig iron block) scattered intensity, so that Subtraction gives exactly the emitted intensity of the body. The problem is inhomogeneities in terms of radiation of the heater, because then the reflector and the body different radiation intensities are exposed.

Speziell bei Systemen mit Lampenheizern wurde deshalb ein „Ripple Pyrometry"-Verfahren [Silicon rapid thermal processing with ripple pyrometry, A. T. Fiory, Conference-paper Symposium Mater. Soc, Warrendale (1998), Seite 105 bis 115] entwickelt, das auf der zusätzlichen Auswertung der Wechselanteile im Signal der Strahlungsintensitäten beruht. Im Gegensatz zu den bereits besprochenen Verfahren wird keine genaue Kenntnis des Emissionsgrad des Körpers vorausgesetzt. Bei dem Verfahren wird ein Detektor („WAFER") auf den Körper gerichtet, und ein weiterer Detektor („LAMP") auf die Lampenheizer. Die Lampen werden mit Wechselstrom bei der Versorgungsnetzfrequenz von ca. 50-60 Hz betrieben, so dass die von den Lampen emittierte Strahlung einen Wechselanteil hat. Aus dem Quotienten der Wechselanteile der Signale von („WAFER") und („LAMP") werden die Reflektivität des Körpers und daraus der Störstrahlungsanteil bestimmt. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass der Wechselanteil aufgrund der Netzfrequenz wegen der thermischen Trägheit des Lampenheizers nur wenige Prozent des Gesamtsignals ausmacht. Für eine brauchbare Messung sind deshalb eine äußerst präzise Messung der Signale bei hoher Messfrequenz und eine aufwendige Signalaufbereitung notwendig. Die Präzision und die hohe Messfrequenz stellen hohe Anforderungen an die Strahlungsdetektoren und die Signalaufbereitungselektronik, die zudem jeweils noch mindestens zweifach vorhanden sein müssen.specially For systems with lamp heaters, therefore, a "ripple Pyrometry "method [Silicon rapid thermal processing with ripple pyrometry, A.T. Conference-paper Symposium Mater. Soc, Warrendale (1998), p 105 to 115], which is based on the additional evaluation of the alternating parts based in the signal of the radiation intensities. In contrast to the methods already discussed no exact Knowledge of the emissivity of the body provided. In the method, a detector ("WAFER") is aimed at the body, and another detector ("LAMP") on the lamp heaters. The lamps are powered by AC at the mains supply frequency operated by about 50-60 Hz, so that emitted by the lamps Radiation has an alternating component. From the quotient of the alternating shares The signals of ("WAFER") and ("LAMP") are the reflectivity of the body and from this the Störstrahlungsanteil certainly. A disadvantage of the method is that the alternating component due to the mains frequency due to the thermal inertia of the Lamp heater only a few percent of the total signal. For a usable one Measurement is therefore an extremely accurate measurement the signals at high measuring frequency and a complex signal conditioning necessary. The precision and the high measurement frequency make high demands on the radiation detectors and the signal conditioning electronics, which also still at least each must be present twice.

Aufgabe der ErfindungTask of invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur pyrometrischen Temperaturmessung eines Körpers, während dieser dem Einfluss eines elektrisch erhitzten Wärmestrahlers ausgesetzt ist, zu schaffen, insbesondere für den Fall, dass der Wärmestrahler dazu dient, den Körper zu beheizen. Ein Messfehler, der durch die am Körper reflektierte Einstrahlung des Wärmestrahlers verursacht wird, soll möglichst vermieden werden. Der zur Messung notwendige Eingriff in das System, bestehend aus Wärmestrahler und Körper, soll gering sein. D.h. zur Messung soll möglichst nur an der beliebigen zu messenden Stelle an der Oberfläche des Körpers ein strahlungsoptischer Zugang benötigt werden.task The invention is a process and a device for pyrometric Temperature measurement of a body, while this is exposed to the influence of an electrically heated radiant heat, to create, in particular for the case of the heat radiator this serves the body to heat. A measurement error caused by the radiation reflected on the body the heat radiator is caused, should be possible be avoided. The necessary intervention in the system, consisting of heat radiator and body, should be low. That for the measurement should be possible only at the arbitrary measuring point on the surface of the body Radiation-optical access required become.

Lösung der AufgabeSolution of task

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit Merkmalen des Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 16 gelöst.These The object is achieved by a method with features of claim 1 or solved by a device according to claim 16.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Im Vergleich zu den Verfahren, die auf einer Vermeidung bzw. Abschattung der Störstrahlung beruhen, sind keine Einschränkungen der zu messenden Stelle hinsichtlich Abschirmung der Störstrahlung notwendig. D.h. der Körper muss über keine geeignete Vertiefung verfügen und die Auswahl der zu messenden Stelle ist beliebig.in the Comparison to the methods based on avoidance or shadowing the interfering radiation are no restrictions the point to be measured in terms of shielding the interference necessary. That the body must over do not have a suitable recess and the choice of the place to be measured is arbitrary.

Die Auswahl der zu messenden Stelle kann somit an der für einen thermischen Prozess vorteilhaftesten Stelle gewählt werden, wie z.B. Messung der heißesten Stelle des Körpers oder dort, wo sein Emissionsgrad jederzeit bekannt ist oder dort, wo ein strahlungsoptischer Zugang keine Probleme bereitet.The Selection of the point to be measured can thus at the for a thermal process most advantageous location are chosen, such. measurement of heißesten Body of the body or where its emissivity is known at all times or there, where a radiation-optical access causes no problems.

Die Tatsache, dass zur Messung nur ein strahlungsoptischer an einer beliebigen Stelle des Körpers erforderlich ist, ermöglicht die Integration auch in Systeme, bei denen der Zugang durch prozesstechnische Erfordernisse vielfältig verbaut ist. Während ein Zugang im Einflussbereichbereich des Heizers meist bereitgestellt werden kann, sind andere Bereiche oft durch Anlagenteile wie z. B. Prozesskammern oder Nährmaterialzuführungssysteme blockiert. Ein zusätzlicher Zugang zur elektrischen Verdrahtung des Wärmestrahlers, wie er in der Erfindung benötigt wird, ist dagegen in den meisten Fällen problemlos, weil die Verdrahtung des Wärmestrahlers mit der Spannungsquelle oft ohnehin in einem Schaltschrank realisiert ist, wo die Installation des Messprozessors und eventueller zusätzlicher Sensoren selten Probleme bereitet. Es ist somit problemlos möglich diese Zusatzkomponenten bestehend aus Messprozessor und zusätzlicher Sensoren auch nachzurüsten. In der ersten Stufe wird nur ein Strahlungsdetektor, d.h. ohne Störstrahlungskompensation, installiert. Stellt sich im laufenden Betrieb dann heraus, dass eine Kompensation der Störstrahlung erforderlich ist, so werden diese Komponenten dann nachgerüstet. Die Umbauarbeiten beschränken sich auf den Bereich des Schaltschranks.The fact that only a radiation-optical element is required at any point in the body for the measurement, allows the integration in systems in which the access is built in diverse by process requirements. While access in the area of influence of the heater can usually be provided, other areas are often replaced by equipment such. B. process chambers or Nährmaterialzuführungssysteme blocked. An additional access to the electrical wiring of the heat radiator, as required in the invention, however, is in most cases without problems, because the wiring of the heat radiator with the voltage source is often realized anyway in a cabinet, where the installation of the measuring processor and any additional sensors rarely causes problems. It is thus easily possible to retrofit these additional components consisting of measuring processor and additional sensors. In the first stage, only one radiation detector, ie without interference radiation compensation, is installed. If, during operation, it turns out that a compensation of the interfering radiation is required Lich, these components are then retrofitted. The conversion work is limited to the area of the control cabinet.

Gegenüber Verfahren die ein Filter für die Störstrahlung verwenden, ist der Vorteil, dass kein Filter in das System eingebracht werden muss, das einen Teil der Wärmestrahlung absorbiert, sich deshalb erhitzt und somit entweder temperaturbeständig sein muss oder aber gekühlt werden muss.Opposite procedure which is a filter for the interfering radiation The advantage is that no filter is introduced into the system must be, which absorbs a part of the heat radiation, itself therefore heated and thus be either temperature resistant must or chilled must become.

Gegenüber dem Ripple Pyrometry-Verfahren bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Anforderungen hinsichtlich Präzision und Messfrequenz an den Detektor und die Signalaufbereitungselektronik wesentlich geringer sind. Hierdurch ist eine kostengünstigere Realisierung möglich. Außerdem kann die Erfindung im Gegensatz zur Ripple Pyrometry auch mit relativ trägen Heizern realisiert werden, bei denen eine Wechselspannung mit Netzfrequenz keinen ausreichenden Wechselanteil der Strahlungsintensität bewirkt.Compared to the Ripple pyrometry method, the invention offers the advantage that the requirements regarding precision and measuring frequency the detector and the signal processing electronics much lower are. This is a cheaper Realization possible. Furthermore the invention can in contrast to Ripple Pyrometry also with relative sluggish Heaters are realized in which an AC voltage with mains frequency does not cause a sufficient change of the radiation intensity.

Eine Variante der Erfindung erlaubt die Bestimmung der Emissionsgrad des zu messenden Körpers. Dies stellt einen beträchtlichen Vorteil gegenüber den beschriebenen Verfahren (außer der Ripple Pyrometry) dar, bei der die Emissionsgrad des Körpers bekannt sein muss, bzw. jeweils durch zusätzliche Installation eines nicht berührungslosen Messverfahrens, wie z.B. Thermoelement, für jeden Körper mit unbekannter Emissionsgrad separat ermittelt werden muss. Aufgrund der Emissionsgradbestimmung können auch gleichartige Körper prob lemlos prozessiert werden, die hinsichtlich Emissionsgrad eine große statistische Streuung aufweisen.A Variant of the invention allows the determination of the emissivity of the body to be measured. This represents a considerable advantage over the described method (except the ripple pyrometry), in which the emissivity of the body is known must be, or in each case by additional installation of a non-contact measuring method, such as. Thermocouple, for every body must be determined separately with unknown emissivity. by virtue of the emissivity determination can also similar bodies be easily processed, which in terms of emissivity one size have statistical dispersion.

In einer weiteren Variante der Erfindung kann die räumliche Verteilung der Temperatur auf dem Körper gemessen werden. In Kombination mit der Bestimmung einer räumlichen Verteilung des Emissionsgrad können auch strukturierte Körper d.h. insbesondere auch mit inhomogenem Emissionsgrad gemessen werden.In According to a further variant of the invention, the spatial distribution of the temperature on the body be measured. In combination with the determination of a spatial Distribution of the emissivity can also structured bodies i.e. In particular, be measured with inhomogeneous emissivity.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Following closer described. Show it:

1: eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Temperaturmessung in einem thermischen Prozess. 1 : A schematic diagram of a device for measuring temperature in a thermal process.

2: ein Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Arbeitsweise des Messprozessors 17 aus 1 zeigt 2 : A flow chart exemplifying the operation of the measurement processor 17 out 1 shows

3: Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf verschiedener Größen bei einer Kalibrierung durch die Heizleistungsvariationsmethode, indem die Heizerspannung gepulst wird. 3 : Diagram showing the time course of various quantities when calibrated by the heating power variation method by pulsing the heater voltage.

4 Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf verschiedener Größen bei einer Kalibrierung durch die Heizleistungsvariationsmethode, indem die Heizerspannung periodisch variiert wird. 4 Diagram showing the time course of different quantities when calibrated by the heating power variation method by periodically varying the heater voltage.

5 Diagramm mit der berechneten Strahlungsintensität für verschiedene Wellenlängen. 5 Diagram with the calculated radiation intensity for different wavelengths.

6: Ausführungsbeispiel in Erweiterung zu 1, zwecks Temperaturkontrolle des Körpers 1 in einem Beschichtungsprozess mittels 3 Heizzonen. 6 : Example in extension to 1 , for the purpose of temperature control of the body 1 in a coating process by means of 3 Heating zones.

7: Detaildarstellung einer möglichen Ausführung eines Heizers aus 6 als Lampenheizer 27. 7 : Detail of a possible heater design 6 as a lamp heater 27 ,

8: Detaildarstellung einer möglichen Ausführung der elektrischen Verschaltung einer Heizzone 15 aus 6. 8th : Detailed representation of a possible design of the electrical connection of a heating zone 15 out 6 ,

In 1 ist rein prinzipiell eine Anordnung 10 in Form der Temperaturmessung eines Körpers 1 in einem thermischen Prozess mit bekanntem Emissionsgrad ε dargestellt. Zur Beheizung des Körpers 1 dient ein Wärmestrahler 3, der ein elektrischer Widerstandsheizer mit temperaturabhängigem ohmschem Widerstand R ist. Zur Stromversorgung ist der Strahler 3 an den Heizkreis 15 bestehend aus einer Spannungsversorgung 4 sowie Sensoren für den Strom I 6 und für die Spannung U 7 angeschlossen. Falls die Versorgung 4 Wechselstrom erzeugt, ist es zweckmäßig, dass die Sensoren 6 und 7 statt der Momentanwerte für Strom I(t) und Spannung U(t) über eine Periodendauer gemittelte Größen wie z. B. die Effektivwerte I_eff und U_eff messen.In 1 is purely an arrangement in principle 10 in the form of temperature measurement of a body 1 represented in a thermal process with known emissivity ε. To heat the body 1 serves a heat radiator 3 , which is an electrical resistance heater with temperature-dependent ohmic resistance R. The power supply is the spotlight 3 to the heating circuit 15 consisting of a power supply 4 as well as sensors for the current I 6 and for the voltage U 7 connected. If the supply 4 Generated alternating current, it is appropriate that the sensors 6 and 7 instead of the instantaneous values for current I (t) and voltage U (t) over a period averaged quantities such. For example, the rms values I _eff and U _{eff can be} measured.

Bei starker Abweichung des Wechselstroms von einer Sinuskurve, wie sie z. B. bei der Verwendung einer Phasenanschnittssteuerung in der Stromversorgung 4 auftritt, kann die genaue Messung von Effektivwerten mit einem relativ hohen Aufwand verbunden sein. In diesem Fall ist es alternativ vorteilhaft die Signale von I(t) und U(t) z. B. nur durch Gleichrichten und Glätten aufzubereiten. Die so aufbereiteten Signale I* und U* werden an den Prozessor 17 weitergegeben, wo sie, bei eventueller Digitalisierung, exakt gleichzeitig abgetastet werden. Da bei der weiteren Auswertung im Wesentlichen nur der Quotient U/I verwendet wird, ist diese einfache Signalaufbereitung, soweit sie linear und symmetrisch bezüglich U und I erfolgt, ausreichend. Die weitere Auswertung entspricht dann jenem bei Messung der Effektivwerte.In strong deviation of the AC current from a sinusoid, as z. Example, when using a phase control in the power supply 4 occurs, the accurate measurement of RMS values can be associated with a relatively high cost. In this case, it is alternatively advantageous for the signals of I (t) and U (t) z. B. only by rectifying and smoothing process. The thus prepared signals I * and U * are sent to the processor 17 where they are sampled exactly at the same time, in case of digitization. Since in the further evaluation essentially only the quotient U / I is used, this simple signal processing, insofar as it is linear and symmetrical with respect to U and I, is sufficient. The further evaluation then corresponds to that when measuring the RMS values.

In vielen Fällen werden auch geeignete Strom- und Spannungsdaten durch eine Schnittstelle der Spannungsversorgung bereitgestellt, so dass eine zusätzliche Installation der Sensoren 6 und 7 entfallen kann.In many cases, suitable power and voltage data will also be provided through an interface provided the power supply, allowing an additional installation of the sensors 6 and 7 can be omitted.

Am Messfleck 11 des Körpers 1 soll seine Temperatur T bestimmt werden. Mittels einer im Strahlungsdetektor 2 integrierten Strahlungsoptik, eventuell inklusiv visueller Visierhilfe (nicht dargestellt) erfolgt die Selektion des Messflecks 11. Die in die Apertur 12 des Strahlungsdetektors 2 eintretende Strahlung 13 setzt sich zusammen aus am Messfleck 11 emittierter Strahlung 31 und vom Strahler 3 emittierte Strahlung 8, von der ein Teil an 11 gestreut wird. Der gestreute Teil 9, d.h. die Störstrahlung, kann zu einem systematischen Fehler bei der Temperaturbestimmung führen, der gemäß des hier beschriebenen Verfahrens, kompensiert werden wird. Der Strahlungsdetektor gibt den gemessenen Wert der Intensität i_D der Strahlung 13 bei einer Wellenlänge λ mittels Datenleitung 18, in analoger oder digitaler Form, an einen Messprozessor 17 weiter. Gleichzeitig erhält der Messprozessor 17 die Daten der Sensoren 6 und 7, die zur Kompensation dienen. Aus den Daten I_eff, U_eff und i_D errechnet der Prozessor 17 die Temperatur T am Messfleck 11. Dieser Prozess des Errechnens wird im folgenden Abschnitt beispielhaft beschrieben.At the measuring spot 11 of the body 1 its temperature T should be determined. By means of a radiation detector 2 integrated radiation optics, possibly including visual sighting aid (not shown), the selection of the measuring spot is carried out 11 , The in the aperture 12 of the radiation detector 2 incoming radiation 13 is made up of the measuring spot 11 emitted radiation 31 and from the spotlight 3 emitted radiation 8th , from the part to 11 is scattered. The scattered part 9 , ie the spurious radiation, can lead to a systematic error in the temperature determination, which will be compensated according to the method described here. The radiation detector gives the measured value of the intensity i _{D of} the radiation 13 at a wavelength λ by means of data line 18 in analogue or digital form, to a measuring processor 17 further. At the same time the measuring processor receives 17 the data of the sensors 6 and 7 that serve for compensation. The processor calculates from the data I _eff , U _eff and i _D 17 the temperature T at the measuring spot 11 , This process of calculation is described as an example in the following section.

In 2 ist beispielhaft die Arbeitsweise des Messprozessors 17 in Form des Ablaufdiagramms 20 dargestellt. Zur Realisierung des Ablaufes ist es vorteilhaft, wenn der Messprozessor 17 einen Mikrocontroller enthält, der entsprechend programmiert wird. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich die entsprechenden Berechnungen auf andere Weise, wie z.B. durch einen analogen Schaltkreises zu realisieren. Vorraussetzung für den korrekten Ablauf sind einige Parameter, die vor Beginn der Messung im Prozessor 17 hinterlegt werden müssen, das sind Temperaturkoeffizient α und Kaltwiderstand R₀ des Strahlers 3, die Bezugstemperatur T₀, die Emissionsgrad ε des Körpers 1 sowie eine Koppelungskonstante q, wobei q aus dem Intervall [0 ... 1] ist. Methoden zur Bestimmung der Konstanten q werden später noch beschrieben.In 2 is an example of the operation of the measurement processor 17 in the form of the flowchart 20 shown. To realize the process, it is advantageous if the measuring processor 17 contains a microcontroller that is programmed accordingly. In principle, however, it is also possible to realize the corresponding calculations in other ways, such as by an analog circuit. Precondition for the correct procedure are some parameters, which are before the beginning of the measurement in the processor 17 must be deposited, these are temperature coefficient α and cold resistance R _{0 of} the radiator 3 , The reference temperature T _0, the emissivity ε of the body 1 and a coupling constant q, where q is from the interval [0 ... 1]. Methods for determining the constants q will be described later.

Im Schritt S1 werden die Intensität i_D der Strahlung 13 sowie die elektrischen Effektivwerte des Stroms I_eff und der Spannung U_eff eingelesen (oder alternativ dazu proportionale Signale wie z.B. I* und U*). Aus I_eff und U_eff wird in Schritt S2 der elektrische Widerstand R des Strahlers 3 bestimmt. Daraus wird in S3 die Temperatur T_H des Strahlers 3 berechnet. Hierzu ist in Diagramm 20 als Beispiel eine Formel angegeben, die u. a. für einen Wolframdraht gilt, bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit oder Einsatz anderer Materialien muss eventuell eine genauere bzw. andere Formel angewendet werden.In step S1, the intensity i _{D of} the radiation 13 and the electrical effective values of the current I and the voltage U _eff _eff read (or alternatively proportional signals, such as I * and U *). From I _eff and U _eff in step S2, the electrical resistance R of the radiator 3 certainly. From this, in S3, the temperature T _{H of} the radiator 3 calculated. For this is in diagram 20 As an example, given a formula that applies, inter alia, to a tungsten wire, in case of high demands on the accuracy or use of other materials may have a more precise or different formula may be applied.

Im nächsten Schritt S4 wird die Intensität der abgestrahlten Strahlung eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur T_H gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz bestimmt. Dass der reale Heizer 3 i. a. nicht schwarz ist spielt dabei keine Rolle. Danach (in S5) wird die Intensität i_E der vom Körper 1 emittierten Strahlung berechnet. Schließlich erfolgt in S6 und S7 die Berechnung der Temperatur T des Körpers gemäß der angegebenen Formel, die aus dem Planck'schen Strahlungsgesetz folgt, und in S8 die Ausgabe der Temperatur.In the next step S4, the intensity of the radiated radiation of a blackbody having the temperature T _{H is determined} according to Planck's law of radiation. That the real heater 3 ia not black is not important. Afterwards (in S5) the intensity i _E of the body 1 calculated radiation emitted. Finally, in S6 and S7, the temperature T of the body is calculated according to the formula given by Planck's Law of Radiation and in S8 the temperature is output.

Die so gewonnene Temperatur T kann einem (nicht dargestellten) Regler zugeführt werden, der durch Stellen z. B. der elektrischen Leistung an der Spannungsversorgung 4 eine vorgegebene Temperatur T_soll am Körper 1 realisiert.The temperature T thus obtained can be supplied to a (not shown) controller, which can be adjusted by placing z. B. the electrical power to the power supply 4 a predetermined temperature T _{should be} on the body 1 realized.

Der in S5 benötigte Koppelungsparameter q wird vor allem bei komplexen Anordnungen vorzugsweise experimentell bestimmt. D.h. es wird ein Heizprozess zur Kalibrierung gefahren. Als Beispiele werden im Folgenden einige Kalibriermethoden beschrieben: eine mittels einer nichtberührungslosen Referenzmessung und eine Heizleistungsvariationsmethode, bei der die Heizleistung oder die Heizspannung eine rasche zeitlichen Änderung aufgeprägt wird und schließlich eine kombinierte Methode, die die beiden erstgenannten verwendet. Die zeitlichen Änderungen von U_eff, R, T, der nicht korregierten pyrometrisch gemessenen Temperatur T_raw, und der mittels Referenzmessung bestimmte Temperatur T_ref bei einer kombinierten Kalibrierung sind in 3 und 4 dargestellt.The coupling parameter q required in S5 is preferably determined experimentally, above all in the case of complex arrangements. This means that a heating process is run for calibration. As examples, some calibration methods are described below: one using a non-contact reference measurement and a heating power variation method in which the heating power or the heating voltage is impressed by a rapid time change, and finally a combined method using the first two. The temporal changes of U _eff , R, T, the uncorrected pyrometrically measured temperature T _raw , and the reference measurement determined temperature T _ref in a combined calibration are in 3 and 4 shown.

Bei der Kalibrierung mittels Referenzmessung wird am Körper 1 zu diesem Zweck vorübergehend ein Temperatursensor, z.B. ein Thermoelement (nicht in der Zeichnung dargestellt), angebracht. Der Messprozessor 17 erhält die zugehörige Temperatur T_ref über einen weiteren nicht dargestellten Eingang. Beim Fahren des Kalibrierprozesses wird dann der Parameter q so gewählt, dass die beiden Temperatur-Zeit Kurven T(t) und T_ref(t) möglichst gut übereinstimmen. Ein Kriterium für die beste Übereinstimmung kann z. B. die Minimierung der mittleren quadratischen Abweichung der beiden Kurven sein.When calibrating by reference measurement is on the body 1 For this purpose, temporarily a temperature sensor, such as a thermocouple (not shown in the drawing) attached. The measuring processor 17 receives the associated temperature T _ref via another input, not shown. When driving the calibration process, the parameter q is then selected so that the two temperature-time curves T (t) and T _ref (t) match as well as possible. A criterion for the best match may, for. B. be minimizing the mean square deviation of the two curves.

Bei Kalibrierung mittels Heizleistungsvariationsmethode wird der Koppelungsparameter q durch schnelle Änderung der elektrischen Heizspannung an der Spannungsquelle 4 bestimmt. In den Diagrammen von 3 und 4 sind zwei Beispiele für den zeitlichen Verlauf angegeben: in 3 gepulst und in 4 periodisch. Vorraussetzung für die Anwendung der Methode ist, dass der Wärmestrahler 3 wesentlich schneller seine Temperatur ändert als der Körper 1. Die Pulsdauer Δt₁, (entsprechend Diagramm aus 3) bzw. die Periodendauer (entsprechend Diagramm aus 4) wird dabei so kurz gewählt, dass sich die Temperatur des Körpers während eines Pulses bzw. im Laufe einer Periode nur wenig ändert, jedoch so lang, dass sich die Temperatur des Strahler 3 während dieser Zeit deutlich ändert. Typischerweise liegt die Periodendauer im Bereich 0,04 s bis 100 s, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 s und 30 s. Entsprechendes gilt für die Pulsdauer, die dann jeweils der halben Periodendauer entspricht.When calibrating by heating power variation method, the coupling parameter q is changed by rapidly changing the electrical heating voltage at the power source 4 certainly. In the diagrams of 3 and 4 Two examples of the time course are given: in 3 pulsed and in 4 periodically. Prerequisite for the application of the method is that the heat radiator 3 its temperature changes much faster than the body 1 , The pulse duration Δt ₁ , (corresponding to diagram 3 ) or the period (according to diagram 4 ) is chosen so short that the temperature of the body during a pulse or in the course of a period changes only slightly, depending but so long that the temperature of the spotlight 3 during this time changes significantly. Typically, the period is in the range 0.04 s to 100 s, preferably in the range between 0.2 s and 30 s. The same applies to the pulse duration, which then corresponds in each case to half the period.

Der Parameter q ist dabei (gemäß Diagramm aus 3) so zu wählen, dass das mittlere Quadrat des Sprungs (ΔT)² in der ermittelten Temperatur-Zeit-Kurve T(t) nach dem Ein- oder Aussetzen eines Pulses minimiert wird (vgl. hierzu auch 3). Bei einer periodischen Varia tion (gemäß Diagramm aus 4) wird zusätzlich ausgenutzt, dass der Wechselanteil der Lampenstrahlung (bzw. U_eff(t) oder R(t)) gegenüber dem Wechselanteil der Körpertemperatur um eine Viertelperiode phasenverschoben ist, d.h. der Parameter wird q wird so variiert, dass der gleichphasige Anteil im Signal minimiert wird.The parameter q is (as shown in diagram 3 ) in such a way that the mean square of the jump (ΔT) ² in the determined temperature-time curve T (t) is minimized after the onset or exposition of a pulse (cf. 3 ). For a periodic variation (as per diagram 4 ) is additionally exploited that the alternating component of the lamp radiation (or U _eff (t) or R (t)) compared to the alternating component of the body temperature is phase-shifted by a quarter period, ie the parameter is q is varied so that the in-phase component in the signal is minimized.

Der so ermittelte Kopplungsparameter q ist unabhängig von der Temperatur und der Emissionsgrad des Körpers 1, sowie der Temperatur des Wärmestrahlers und kann somit nach einer Kalibrierung für die Messungen im Prozessor 17 hinterlegt werden. Dagegen ist der Parameter q charakteristisch für den Wärmestrahler 3 und seiner geometrischen Anordnung relativ zum Körper 1. Bei entsprechenden Änderungen ist erneut eine Kalibrierung durchzuführen. Die Tatsache, dass der Parameter q unabhängig vom Emissionsgrad des Körpers 1 ist, lässt sich auch zur Emissionsgradbestimmung verwenden, wenn diese nicht bekannt ist. Hierzu wird zunächst der Koppelungsparameter q mittels eines Kalibrierkörpers mit bekanntem Emissionsgrad ermittelt, der dieselbe geometrische Form wie der Körper 1 hat und zu diesem Zweck an dessen Position gebracht wird. Nach der Bestimmung von q wird der Kalibrierkörper wieder gegen den Körper 1 ausgetauscht. Dann wird erneut ein Kalibrierprozess gefahren, wobei jetzt statt des Parameters q die Emissionsgrad ε zwecks Minimierung variiert wird. Sollen Körper mit streuendem Emissionsgrad nacheinander prozessiert werden, so ist es zweckmäßig eine Emissionsgradbestimmung mittels Heizleistungsvariationsmethode in den Prozessablauf zu integrieren. Hierzu wird zunächst in einem unkritischen Teil des Prozesses, bei dem sich die Heizleistungsvariation nicht störend auswirkt, die Emissionsgrad bestimmt, die dann im weiteren Verlauf des Prozesses zur Temperaturmessung verwendet wird.The thus determined coupling parameter q is independent of the temperature and the emissivity of the body 1 , as well as the temperature of the heat radiator, and thus can after calibration for the measurements in the processor 17 be deposited. In contrast, the parameter q is characteristic of the heat radiator 3 and its geometric arrangement relative to the body 1 , If changes are made, calibration must be performed again. The fact that the parameter q is independent of the emissivity of the body 1 is, can also be used to determine the emissivity, if this is not known. For this purpose, the coupling parameter q is first determined by means of a calibration body with a known emissivity, which has the same geometric shape as the body 1 has been brought to its position for this purpose. After the determination of q, the calibration body is again against the body 1 replaced. Then again a calibration process is run, whereby instead of the parameter q the emissivity ε is varied for the purpose of minimization. If bodies with scattering emissivity are to be processed successively, it is expedient to integrate an emissivity determination by means of heating power variation method into the process sequence. For this purpose, the emissivity is initially determined in an uncritical part of the process, in which the heating power variation does not interfere, which is then used in the further course of the process for temperature measurement.

Die Anwendung einer kombinierten Kalibriermethode ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn kein Kalibrierkörper mit bekannter Emissionsgrad zur Verfügung steht, weil z.B. aufgrund der Verwendung von Reflektoren (vgl. hierzu auch die Detaildarstellung in 7) die Emissionsgrad ε durch einen effektive Emissionsgrad ε_eff ersetzt werden muss, die nicht allein die Eigenschaften des Körpers, sondern auch Eigenschaften der Reflektoren widerspiegelt, vgl. hierzu auch [Rapid Thermal Processing, R. B. Fair (Hrsg.), Academic Press, Boston, (1993), Seite 357-358]. Beim Fahren des Kalibrierprozesses werden dann die beiden Parameter ε_eff und q so variiert, dass die mittlere quadratische Abweichung der beiden Temperatur-Zeit Kurven T(t) und T_ref(t) minimiert wird. Beim nachfolgenden Prozessieren von Körpern mit anderem effektivem Emissionsgrad genügt dann wieder die Anwendung der Heizleistungsvariationsmethode zu deren Bestimmung. D.h. das Einfügen eines zusätzlichen nichtberührungs losen Temperatursensors ist nur notwendig, wenn beide Parameter ε und q gleichzeitig bestimmt werden müssen, was in der Regel nur bei der Inbetriebnahme und nach Umbauten der Prozessanlage erforderlich ist.The use of a combined calibration method is particularly advantageous if no calibration body with a known emissivity is available because, for example, due to the use of reflectors (see also the detailed illustration in FIG 7 ) the emissivity ε must be replaced by an effective emissivity ε _eff , which reflects not only the properties of the body but also the properties of the reflectors, cf. also [Rapid Thermal Processing, RB Fair (ed.), Academic Press, Boston, (1993), pages 357-358]. When driving the calibration process, the two parameters ε _eff and q are then varied so that the mean square deviation of the two temperature-time curves T (t) and T _ref (t) is minimized. In the subsequent processing of bodies with different effective emissivity then again the application of the Heizleistungvariationsmethode is sufficient for their determination. That is, the insertion of an additional non-contact loose temperature sensor is only necessary if both parameters ε and q must be determined simultaneously, which is usually required only during commissioning and after modifications of the process plant.

In einer Erweiterung von Ausführungsbeispiel 10 kann das besprochene Verfahren auch verwendet werden, um an mehreren Stellen der Körperoberfläche gleichzeitig zu messen. Hierzu können entweder mehrere Detektoren installiert werden oder es kann ein Detektor mit räumlicher Auflösung, d. h. eine Infrarotkamera eingesetzt werden. Der Koppelungsparameter q ist in diesem Fall vom Ort (x, y) auf dem Körper 1 abhängig und muss während eines Kalibrierprozesses entsprechend ortsabhängig bestimmt werden. Zwecks Kalibrierung mittels zusätzlichen Thermoelements muss hierzu ein Kalibrierkörper mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden, so, dass die Temperatur auf der ganzen Körperoberfläche möglichst gleich ist. Vorzugweise erfolgt die Kalibrierung jedoch mittels Pulsen, wobei die Temperatur-Zeit-Kurve an jedem Ort (x, y) hinsichtlich Minimierung des Temperatursprungs ΔT(x, y) durch Variation des Parameters q(x, y) optimiert wird. Bei bekannter Verteilung q(x, y), die zuvor anhand eines Kalibierkörpers mit bekannter Emissionsgrad gewonnen wurde, kann analog wie im vorherigen Abschnitt auch eine Bestimmung der räumlichen Verteilung der Emissionsgrad ε(x, y) des zu messenden Körpers 1 erfolgen.In an extension of Embodiment 10, the discussed method may also be used to simultaneously measure at multiple sites of the body surface. For this purpose, either several detectors can be installed or it can be a detector with spatial resolution, ie an infrared camera can be used. The coupling parameter q in this case is the location (x, y) on the body 1 dependent and must be determined during a calibration process according to location. For the purpose of calibration by means of additional thermocouple a calibration must be used with the highest possible thermal conductivity, so that the temperature on the whole body surface is as equal as possible. Preferably, however, the calibration is carried out by means of pulses, wherein the temperature-time curve at each location (x, y) is optimized by minimizing the temperature jump ΔT (x, y) by varying the parameter q (x, y). In a known distribution q (x, y), which was previously obtained from a calibration body with a known emissivity, analogous to the previous section, a determination of the spatial distribution of the emissivity ε (x, y) of the body to be measured 1 respectively.

Die Auswahl einer geeigneten Wellenlänge λ, bei der die Strahlung 13 gemessen wird, erfolgt anhand des zu messenden Temperaturbereichs von T, und der Heizertemperatur T_H. Als Beispiel ist hierzu in 5 ein Diagramm der simulierten Störstrahlung i_St 9 bei einer Heizertemperatur T_H von 2400 K und der emittierten Strahlung i_E 31 bei einer Temperatur T des Körpers 1 aufgetragen. Ungünstig für eine Messung ist der kurzwellige Bereich 42, weil hier die Störstrahlung 9 eine deutlich höhere Intensität hat als die emittierte Strahlung 31. Günstig ist dagegen der langwellige Bereich 41. Ein wichtiges Kriterium ist hierbei die Wellenlänge λ_Wien am Intensitätsmaximum der Strahlungskurve des Körpers 1, die durch das Wien'sche Verschiebungsgesetzes definiert wird. Günstig ist eine Wellenlänge von λ = 0,5 λ_Wien bis 5 λ_Wien, vorzugsweise ist λ = 0,9 λ_Wien bis 4 λ_Wien.The selection of a suitable wavelength λ at which the radiation 13 is measured, based on the measured temperature range of T, and the heater temperature T _H. As an example, this is in 5 a diagram of the simulated interfering radiation i _St 9 at a heater temperature T _H of 2400 K and the emitted radiation i _E 31 at a temperature T of the body 1 applied. Unfavorable for a measurement is the short-wave range 42 because here the interfering radiation 9 has a much higher intensity than the emitted radiation 31 , In contrast, the long-wave range is favorable 41 , An important criterion is the wavelength λ of the radiation intensity maximum at the _Wien curve of the body 1 , which is defined by the Wien'sche Verschiebungsgesetzes. Favorable is a wavelength of λ = 0.5 λ _Vienna to 5 λ _Vienna , preferably λ = 0.9 λ _Wien to 4 λ _Vienna .

In 6 ist Beispielhaft eine Anordnung 30 in Erweiterung zu 1 dargestellt. Der Körper 1 ist flach, d.h. seine Oberfläche besteht im Wesentlichen nur aus 2 Seiten. Der Körper 1 dient hier als Substrat, das auf der den Heizern 15, die hier zur gegenseitigen Unterscheidung mit 15a, 15b und 15c bezeichnet sind, abgewanden Seite eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise in Form einer Beschichtung 21, erhalten soll. Hierzu befindet sich das Substrat 1 in einer Kammer die durch die Wände 23 und durch das Strahlungsfenster 19 begrenzt wird. Zur Beschichtung notwendiges Nährmaterial wird durch den Einlass 25 zugeführt. Das Substrat 1 teilt die Kammer in die beiden Halbräume 24 und 22, derart, dass nur im aktiven Teil 22 ein Beschichtungsprozess erfolgt. Am Messfleck 11 wird der Körper nicht beschichtet, deshalb erfolgt dort auch keine Änderung des Emissionsgrads. Auf entsprechende Weise wird auf dem Strahlungsfenster 19 eine unerwünschte Wandbeschichtung vermieden. Zur besseren Kontrolle der räumlichen Temperaturverteilung auf dem Substrat 1 erfolgt die Beheizung durch drei separat regelbare Heizzonen. Entsprechend muss an jeder Heizzone 15 jeweils eine Messung mittels Sensoren 6 und 7 erfolgen. Hieraus werden für jede Zone 15a bis 15c die Temperatur und daraus die Abstrahlung des jeweiligen Heizers bestimmt. Die vom Messfleck 11 zum Detektor 2 gestreute Störstrahlung 9 ist eine lineare Überlagerung der Abstrahlung der drei Heizer. Der Messfleck 11 liegt im Bereich des Heizkreises 15a, so dass dessen Temperatur T am stärksten durch diesen Heizkreis beeinflusst wird. Entsprechend kann die Temperatur T zur Regelung des Heizkreises 15a verwendet werden. Durch Installation weiterer gleichartiger Systeme (nicht dargestellt) mit entsprechenden Messflecken im Bereich der Zonen 15b und 15c kann eine Mehrzonenregelung realisiert werden, die eine Steuerung der räumlichen Temperaturverteilung auf dem Substrat 1 ermöglicht.In 6 is an example of an arrangement 30 in extension too 1 shown. The body 1 is flat, ie its surface consists essentially only of 2 sides. The body 1 serves as a substrate on the heaters 15 who here for mutual distinction with 15a . 15b and 15c are designated, a side facing a surface treatment, for example in the form of a coating 21 , should receive. For this purpose is the substrate 1 in a chamber through the walls 23 and through the radiation window 19 is limited. Nutrient material necessary for coating is introduced through the inlet 25 fed. The substrate 1 divide the chamber into the two half-spaces 24 and 22 , such that only in the active part 22 a coating process takes place. At the measuring spot 11 If the body is not coated, there is no change in emissivity. In a similar way, on the radiation window 19 an undesirable wall coating avoided. For better control of the spatial temperature distribution on the substrate 1 Heating is provided by three separately adjustable heating zones. Accordingly, at every heating zone 15 one measurement each by means of sensors 6 and 7 respectively. This will become for each zone 15a to 15c determines the temperature and from this the radiation of the respective heater. The from the measuring spot 11 to the detector 2 scattered interference radiation 9 is a linear superposition of the radiation of the three heaters. The measuring spot 11 lies in the area of the heating circuit 15a so that its temperature T is most affected by this heating circuit. Accordingly, the temperature T for controlling the heating circuit 15a be used. By installing further similar systems (not shown) with corresponding measuring spots in the zone 15b and 15c It is possible to realize a multi-zone control, which is a control of the spatial temperature distribution on the substrate 1 allows.

Die Heizung erfolgt gemäß der Detaildarstellung in 7 mittels Stablampen 27, bestehend aus einem Glaskolben 25, der Wärmestrahler 3 wird durch eine Lampenwendel realisiert. Die transparenten Teile 25 und 19 werden z.B. mit einem Luftstrom gekühlt und sind somit deutlich kälter als das Substrat 1. Ein Reflektor 28 bewirkt, dass ein hoher Anteil der Strahlung auf das Substrat gelenkt wird. Die zu messende Strahlung gelangt durch die Öffnung 29 zum Strahlungsdetektor 2. Aufgrund der Verwendung des Reflektors wird für die Messung eine effektive Emissionsgrad ε_eff wirksam, die vorzugsweise mit den beschriebenen Kalibriermethoden bestimmt wird.The heating takes place according to the detailed representation in 7 by means of flashlights 27 consisting of a glass bulb 25 , the heat radiator 3 is realized by a lamp filament. The transparent parts 25 and 19 are cooled, for example, with an air stream and are thus significantly colder than the substrate 1 , A reflector 28 causes a high proportion of the radiation is directed to the substrate. The radiation to be measured passes through the opening 29 to the radiation detector 2 , Due to the use of the reflector, an effective emissivity ε _{eff is} effective for the measurement, which is preferably determined using the described calibration methods.

Die entsprechende elektrische Verschaltung eines Heizkreises 15 wird in 8 gezeigt. Die Spannungsversorgung 4 kann z.B. durch Thyristorsteller (nicht dargestellt) mittels Phasenanschnittssteuerung realisiert werden. Günstigerweise werden die Heizwendeln 3 mittels 5 so verschaltet, dass die Last auf alle 3 Phasen der Versorgung 4 symmetrisch verteilt ist. Aufgrund der Symmetrie kann der zur Temperaturbestimmung der Heizwendeln 3 benötigte elektrische Widerstand wiederum mit einem Sensorpaar 6 und 7 gewonnen werden. Zusätzlich zu den bereits gegebenen Regeln für die Wahl des Messwellenlänge λ wird diese auf der langwelligen Seite durch die Transparenzeigenschaften des Fensters 19 begrenzt. Für ein Fenster aus Quarzglas muss deshalb λ < 5 μm sein. Hieraus ergibt sich auch der Vorzugsbereich für die zu messende Temperatur T von > 250°C.The corresponding electrical connection of a heating circuit 15 is in 8th shown. The power supply 4 can be realized for example by thyristor (not shown) by means of phase control. Conveniently, the heating coils 3 by means of 5 so interconnected that the load on all 3 phases of supply 4 is distributed symmetrically. Due to the symmetry of the temperature for determining the heating coils 3 required electrical resistance in turn with a pair of sensors 6 and 7 be won. In addition to the already given rules for the selection of the measurement wavelength λ, this is on the long-wavelength side by the transparency properties of the window 19 limited. Therefore, for a quartz glass window, λ <5 μm must be used. This also results in the preferred range for the temperature T to be measured of> 250 ° C.

Claims

Method for the pyrometric measurement of the temperature T of a body in a process, wherein process-related by an electrically heated heat radiator with temperature T _H in the vicinity of the body of the body is exposed to radiation, which is partially reflected on the body, so that in the said temperature measurement a Measuring error occurs, which is to be compensated, characterized in that the compensation is carried out by additional measurement of the electrical properties of the heat radiator, by the known temperature dependence of the electrical resistance of the heat radiator is utilized.

A method according to claim 1, characterized in that the pyrometric measurement is carried out at a wavelength λ, which is according to the description in the interval [0.5 λ _Vienna , 5 λ _Vienna ].

A method according to claim 1, characterized in that the pyrometric measurement is carried out at a wavelength λ, which is according to the description in the interval [0.9 λ _Vienna , 4 λ _Vienna ].

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the measuring spot in a region of the surface of the body to be measured is the strongest the radiation of the heat radiator is exposed, i. in that area of the body is measured, where due the thermal influence of the heat radiator the temperature maximum of the body to be measured is to be expected.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the temperature measurement during a thermal process takes place, in which the Kör per is treated and the temperature measurement for process control, in particular for temperature control, is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is the heat radiator is an electrical resistance heater, which is used to heat the body with Heat radiation and / or heat conduction is used.

Method according to Claim 6, characterized that the determination of the electrical resistance of the heater by Measurement of the electric current and the electric voltage passing through the power supply of the heater is effected takes place.

Method according to claim 7, characterized in that that the supply of the heater is made with three-phase current, the Heaters are interconnected symmetrically with respect to the phases and the electrical resistance determination by determining the current at only one phase and the voltage between only one pair of phases he follows.

Method according to Claim 6, characterized that heating and pyrometric measurement of one in a process chamber located body through a window made of quartz glass, glass or glass ceramic he follows.

Method according to Claim 6, characterized that the heating is done by means of lamps that make a piston Quartz glass, glass or glass ceramic and a lamp filament, the tungsten, another metal or graphite.

Method according to Claim 6, characterized that the body to be measured heated by two or more heating zones and for each of these zones of the electric Resistance of the associated heater and from this a corresponding correction for the pyrometric measurement determined and applied separately.

Method according to claim 11, characterized in that that in the range of the maximum influence of each heating zone on the body one measuring spot each with associated Detector and measuring processor is installed, allowing a controller the spatial Temperature distribution allows becomes.

Method according to claim 5, characterized in that that the thermal process of treating or coating the surface on substantially only one side of a flat body to be measured, where the measuring spot lies on that side of the body that is not treated or coated.

Method according to claim 5, characterized in that that a calibration for determining the parameters ε and / or q before or during the thermal process is performed in situ by the heater radiation is pulsed, or with a periodic time dependence is provided, the pulse length between 0.02 s and 50 s, or the period between 0.04 s and 100 s.

Method according to claim 14, characterized in that that at the time dependence the heater radiation during in situ calibration the pulse length between 0.1 s and 30 s lies or the period is between 0.2 s and 60 s.

Device for the pyrometric measurement of the surface temperature T of a body ( 1 ), during which the heat radiation of a radiator ( 3 ) is exposed at temperature T _H > T, consisting at least of a measuring processor ( 17 ) and a radiation detector ( 2 ) responsive to the intensity of the radiation emitted and scattered by the body surface, and providing a corresponding measurement to the measurement processor ( 17 ) which calculates and outputs the temperature T, characterized in that the measuring processor ( 17 ) has additional data inputs, especially for reading in electrical measured values that are characteristic of the electrical resistance of the radiator ( 3 ), from which the processor ( 17 ) makes a correction in the mentioned temperature calculation, so that a measurement error due to the scattered radiation component ( 9 ), caused by the heat radiator ( 3 ), is compensated.

Apparatus according to claim 16, characterized in that the detector ( 2 ) has a filter so that only radiation ( 13 ) is detected in a wavelength range λ, λ according to the description within the interval [0.9 λ _Vienna , 4 λ _Vienna ] heh.

Apparatus according to claim 16 or 17, characterized in that the measuring processor ( 17 ) has setting, input or Einprogrammiermöglichkeiten for at least one of the following parameters in addition to the emissivity ε: coupling parameter q, temperature coefficient α, and cold resistance R ₀ , the adaptation of the device for different heat radiators ( 3 ), Body ( 1 ) and allow for different geometric arrangements.