DE102017011351A1

DE102017011351A1 - Temperaturmessanordnung

Info

Publication number: DE102017011351A1
Application number: DE102017011351.3A
Authority: DE
Inventors: Andrey Gromov; Johan Thornblad
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Temperaturmessanordnung und Verfahren, eingerichtet zum Messen einer Temperatur oberhalb von 300 °C in einer Kammer oder einem Rohr (3), wobei die Temperaturmessanordnung umfasst:- eine Wärmestrahlungsquelle (5), die einer Schwarzkörperquelle ähnelt und die innerhalb der Kammer/des Rohrs (3) angeordnet ist;- einen Sensor (13), der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, wobei der Sensor (13) außerhalb der Kammer/des Rohrs (3) derart an einer Position angeordnet ist, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennt, der von der Wärmestrahlungsquelle (5) durch eine Öffnung (9) in einer Wandung (11) der Kammer/des Rohrs (3) emittiert wird;- eine Abschirmung (19; 19'), die zum Umschließen des Sensors (13) vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung (21) aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle (5) erlaubt, in den Sensor (13) durch die Öffnung (21) hindurch einzutreten, wobei die Abschirmung (19; 19') von dem Sensor (13) zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturmessanordnung und ein Verfahren zum Messen einer Temperatur in einer Kammer oder einem Rohr.
Stand der Technik
Hohe Temperaturen zu messen kann aufgrund verschiedener Faktoren problematisch sein. Verwendete Sensoren müssen dahingehend robust sein, dass sie von hoher Temperatur nicht zerstört oder beeinträchtigt werden. In der Automobilindustrie gibt es beispielsweise viele Anwendungen, die eine Messung hoher Temperaturen beispielsweise in dem Abgasstrom benötigen, 300 °C bis 1000 °C. Die vorherrschende Technologie zum Messen der höchsten Temperaturen ist heute die Thermoelement-Technologie. Sensoren dieser Art sind teuer, benötigen einen Herstellungsprozess von hoher Leistungsfähigkeit und brauchen ihr eigene Elektronik, um zu funktionieren.
Das Messen von Temperaturen hinauf bis 1000 °C stellt hohe Anforderungen an die Robustheit von Materialien und Prozessen, die für derzeit verfügbare Sensoren verwendet werden. Übliche Probleme sind beispielsweise, dass die Variation des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Materialien Ermüdungsausfälle verursacht oder dass die hohe Temperatur verursacht, dass der Sensor altert und gegenüber Feuchtigkeit undicht wird.
Ferner müssen in der Automobilindustrie verwendete Sensoren, zum Beispiel zum Messen von Temperaturen in Abgasen, widerstandsfähig gegenüber Korrosion und Vibrationen sein.
In DE 10 2013 226 847 A1 wird beschrieben, wie ein Referenzkörper, der Wärmestrahlung abstrahlt, zum Messen von Temperaturen in einem Strömungskanal verwendet wird. Allerdings wird es in einer Vorrichtung, wie sie in diesem Dokument beschrieben ist, Probleme geben, die im Zusammenhang zur Messgenauigkeit stehen, da der Detektor Wärmestrahlung von den Wandungen des Gehäuses empfangen wird und das Gehäuse von den hohen Temperaturen in dem Strömungskanal aufgewärmt sein wird. Ferner wird der Detektor auch von anderen Umgebungstemperaturen um die Vorrichtung herum beeinträchtigt sein.
In US 2015/0129000 wird ein Infrarot-Temperatursensor des Kontakt-Typs beschrieben. Die in dieser Vorrichtung verwendeten Erkennungselemente weisen eine relativ niedrige Empfindlichkeit auf. Daher wird ein optisches Mittel 3 zum Leiten von Licht zu dem Sensor und dabei zum Erhöhen des Signals bereitgestellt. Der Sensor muss für jede Verwendung kalibriert werden. Ferner ist die Messgenauigkeit mit diesem Sensor niedrig, weil der Sensor auch von anderen Strahlungsquellen, die in der Nähe bereitgestellt sind, beeinträchtigt ist.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Temperaturmessanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, das geeignet ist zum Messen hoher Temperaturen, wie beispielsweise 300 bis 1000 °C.
Dies wird erreicht in Gestalt einer Temperaturmessanordnung und eines Verfahrens gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Temperaturmessanordnung bereitgestellt, die zum Messen einer Temperatur in einer Kammer oder einem Rohr eingerichtet ist, wobei die Temperaturmessanordnung umfasst:

- eine Wärmestrahlungsquelle, die einer Schwarzkörperquelle ähnelt und die innerhalb der Kammer/des Rohrs angeordnet ist;
- einen Sensor, der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, wobei der Sensor außerhalb der Kammer/des Rohrs derart an einer Position angeordnet ist, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennt, der von der Wärmestrahlungsquelle durch eine Öffnung in einer Wandung der Kammer/des Rohrs emittiert wird;
- eine Abschirmung, die zum Umschließen des Sensors vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle erlaubt, in den Sensor durch die Öffnung hindurch einzutreten, wobei die

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Temperaturen in einer Kammer oder einem Rohr bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellen einer Wärmestrahlungsquelle innerhalb der Kammer/des Rohrs;
- Bereitstellen eines Sensors, der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, außerhalb der Kammer/des Rohrs aber derart an einer Position, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennen kann, der von der Wärmestrahlungsquelle durch eine Öffnung in einer Wandung der Kammer/des Rohrs emittiert wird;
- Abschirmen des Sensors durch Bereitstellen einer Abschirmung, die zum Umschließen des Sensors vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle erlaubt, in den Sensor durch die Öffnung hindurch einzutreten, wobei die Abschirmung von dem Sensor zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.

Hiermit werden eine Temperaturmessanordnung und ein Verfahren zum Messen von Temperaturen bereitgestellt, die robust und stabil bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise 300 bis 1000 °C sind. Das Bereitstellen der Wärmestrahlungsquelle innerhalb der Kammer/des Rohrs hoher Temperatur und Bereitstellen des Sensors außerhalb der Kammer/des Rohrs hoher Temperatur verhindern die Probleme, dass die hohe Temperatur den Sensor beeinträchtigt. Ferner wird die um den Sensor herum vorgesehene Abschirmung jeden Einfluss anderer Objekte beschränken, die Wärmestrahlung abstrahlen und in der Nähe des Sensors vorgesehen sind. Die Öffnung in der Abschirmung ist derart dimensioniert und positioniert, dass sie es nur von der Wärmestrahlungsquelle emittierter Wärmestrahlung erlaubt, von dem Sensor erkannt zu werden.
Ferner wird mit dieser Erfindung ein Sensor erzielt, der gegenüber Korrosion nicht empfindlich und der mechanisch stabil ist, was im Speziellen vorteilhaft ist für Sensoren, die in der Automobilindustrie verwendet werden, die zum Beispiel Temperaturen in Abgas messen. Ferner stellt dieser Sensor eine hohe Messgenauigkeit bereit und hat eine kurze Antwortzeit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein Kurzwelle-HgCdTe-Sensor, ein InGaAs-Sensor, ein Extended-InGaAs-Sensor oder ein auf InGaAs basierender Quantentopf-Infrarot-Photodetektor.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor für eine Wellenlänge innerhalb des Bereichs von 1,4 bis 2 µm eingestellt. Hiermit werden Temperaturen von weniger als 300 °C den Sensor nicht beeinträchtigen oder die Ausgabe des Sensors lediglich marginal beeinträchtigen. Dies bedeutet, dass die Umgebungstemperatur in der Nähe des Sensors, und zwar die Abschirmung und der Sensorchip selbst, eine Absorption in dem Sensormaterial nicht beeinträchtigen wird und daher die Ausgabe des Sensors nicht beeinträchtigen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kammer/das Rohr ein Abgasrohr, welches Abgase von einem Verbrennungsmotor wegführt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmestrahlungsquelle zumindest teilweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet und weist eine geschwärzte Oberfläche auf. Hierdurch ähnelt die Wärmestrahlungsquelle einem schwarzen Körper.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abschirmung Wandungen, die den Sensor umschließen und eine Öffnung in den Sensor hinein freilassen, wobei die Öffnung zwischen dem Sensor und der Wärmestrahlungsquelle vorgesehen ist, wobei die Öffnung derart dimensioniert und positioniert ist, dass sie es lediglich Wärmestrahlung, die direkt von der Wärmestrahlungsquelle kommt, erlaubt, von dem Sensor erkannt zu werden, und dass sie von dem Sensor zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen als der Wärmestrahlungsquelle begrenzt. Die Öffnung spielt die Rolle einer Blendenöffnung zum Projizieren eines warmen Objekts zu der Sensoroberfläche. Hiermit wird durch das Begrenzen des Erkennens von Strahlung anderer Quellen als der Wärmestrahlungsquelle eine korrekte Temperatur der Umgebung innerhalb der Kammer/des Rohrs gemessen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist auf einer zweiten Seite des Sensors, die einer ersten Seite des Sensors gegenüberliegt, ein Radiator vorgesehen, wobei die erste Seite zu der Wärmestrahlungsquelle gerichtet ist. Der Radiator kann verwendet werden, um den Sensor bedarfsweise zu kühlen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet, wie beispielsweise aus Kupfer. Hierdurch kann ein Temperaturgradient über die Abschirmung vermieden werden, der die Ausgabe von dem Sensor beeinträchtigen könnte.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragt ein länglicher Körper durch die Öffnung in der Wandung der Kammer/des Rohrs hindurch in die Kammer/das Rohr hinein, wobei die Wärmestrahlungsquelle in einem ersten Ende des länglichen Körpers vorgesehen ist, wobei das erste Ende des länglichen Körpers innerhalb der Kammer/des Rohrs vorgesehen ist, und wobei ein zweites Ende des länglichen Körpers, welches das gegenüberliegende Ende des ersten Endes ist, außerhalb der Kammer/des Rohrs oder an der Wandung der Kammer/des Rohrs vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der längliche Körper hohl und aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der längliche Körper in seinem zweiten Ende den Sensor, und der längliche Körper umfasst einen abgedichteten hohlen Innenraum, der Vakuum beinhaltet, wobei die Wandungen des länglichen Körpers zu der Wärmestrahlungsquelle hin isoliert sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung in der Wandung der Kammer/des Rohrs von einem Stopfen aus Material abgedichtet, das für die Wärmestrahlung transparent ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmestrahlungsquelle an zumindest einer Wandung der Kammer/des Rohrs innerhalb der Kammer/des Rohrs befestigt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, welches das Spektrum der abgestrahlten Leistung pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers für verschiedene Temperaturen zeigt.
2 ist ein Diagramm, das spektrale Strahlungsdichte, die zur schmalbandigen QWIP-Absorption bei λ=1,9 µm proportional ist, als eine Funktion der Temperatur zeigt.
3a zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung gemäß der Erfindung.
3b zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung gemäß der Erfindung.
3c zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung gemäß der Erfindung.
3d ist einer Draufsicht eines Teils der Temperaturmessanordnung, wie sie in 3c gezeigt ist.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die in diesem Dokument beschriebene Erfindung zielt darauf ab, die bekannten Probleme mit bestehenden Hochtemperatur-Sensoren mittels eines Messens von Schwarzkörperstrahlung zu umgehen. Ein Teil dieser Erfindung betrifft, wie ein geeigneter Sensor zum Messen der Schwarzkörperstrahlung auszuwählen ist.
Die Schwarzkörperstrahlung gemäß dem Planck'schen Gesetz ist gegeben als: $I (λ, T) = \frac{2 h c^{2}}{λ^{5}} \frac{1}{exp (\frac{h c}{λ k_{B} T}) - 1}$

wobei

h: die Planck-Konstante ist
c: die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist
k_B: die Boltzmann-Konstante ist
λ: die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist
T: die absolute Temperatur des Körpers ist.

Allgemein gesagt ist I(λ, T) die von einem schwarzen Körper pro Einheitsfläche von emittierender Oberfläche in die Normalrichtung pro Raumwinkel pro Einheitswellenlänge bei der Temperatur T abgestrahlte Leistung.
1 zeigt des Spektrum abgestrahlter Leistung für die Temperaturen: 100, 300, 500, 750 und 1000 °C. Zum Erkennen des Strahlungsflusses könnte man einen Schmalband-Nahinfrarot-, NIR, oder einen Kurzwellenlängen-Infrarot, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen verwenden, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann. Beispiele für Sensoren sind Indium-Antimonit-(InSb)-Sensoren, ein Kurzwellen-Quecksilber-Cadmium-Tellurit-(HgCdTe)-Sensor, ein InGaAs-Sensor, ein Extended-InGaAs-Sensor oder ein Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (QWIP), der auf InGaAs mit Antimon-Beitrag basiert. Wenn die Empfindlichkeit eines solchen Detektors auf etwa 1,9 µm eingestellt wird, wird die Vorrichtung eine breite Arbeitsschwelle bei etwa 300 °C aufweisen und Temperaturen darunter graduell auslöschen und daher unempfindlich gegenüber dem umgebenden Hintergrund sein. Das Signal des eingestellten Sensors sollte in dem Bereich von 300 bis 1000 °C annähernd exponentiell variieren (siehe 2), wenn es bei 1,9 µm gemessen wird. Daher wird der Signalunterschied im Fall eines Temperaturunterschieds von beispielsweise 300 °C zwischen Gas und Sensorkopf etwa zwei Größenordnungen betragen, was die parasitäre Absorption von Sensorumgebung auslöschen und eine hohe Genauigkeit ohne individuelle komplexe Kalibration beibehalten würde.
Selbstverständlich kann der Sensor auf eine andere Wellenlänge nahe von 1,9 µm eingestellt werden, mit beinahe demselben Effekt. Zweckmäßiger Weise sollte eine Wellenlänge zwischen 1,4 und 2 µm für eine optimale Funktion ausgewählt werden (grauer Balken in 1). Das beste kostengünstige Material in diesem Bereich ist „Extended-InGaAs“, das oberhalb von Raumtemperatur arbeitet. Die unterste Grenze des Messbereichs kann auf weniger als 300 °C oder auf mehr als 300 °C variiert werden, indem der Peak der Absorptionswellenlänge entsprechend erhöht oder verringert wird.
Gemäß der Erfindung wird eine Temperaturmessanordnung bereitgestellt, die zum Messen einer Temperatur über 300 °C in einer Kammer oder einem Rohr eingerichtet ist. Die Temperaturmessanordnung umfasst eine Wärmestrahlungsquelle, die einer Schwarzkörperquelle ähnelt und die innerhalb der Kammer/des Rohrs angeordnet ist. Die Temperaturmessanordnung umfasst ferner einen Sensor, der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, wobei der Sensor außerhalb der Kammer/des Rohrs, wo die Temperatur niedriger als 300 °C ist, an einer Position derart angeordnet ist, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennt, der von der Wärmestrahlungsquelle durch eine Öffnung in einer Wandung der Kammer/des Rohrs emittiert wird. Ferner umfasst die Temperaturmessanordnung eine Abschirmung, die zum Umschließen des Sensors vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung in den Sensor hinein frei lässt, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle erlaubt, von dem Sensor erkannt zu werden, und die von dem Sensor zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.
Beispiele für Sensoren sind Indium-Antimonit-(InSb)-Sensoren, ein Kurzwellen-Quecksilber-Cadmium-Tellurit-(HgCdTe)-Sensor, ein InGaAs-Sensor, ein Extended-InGaAs-Sensor oder ein Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (QWIP), der auf InGaAs mit Antimon-Beitrag basiert.
3a zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung 1 gemäß der Erfindung. Die Temperaturmessanordnung 1 ist dazu eingerichtet, eine Temperatur in einer Kammer oder einem Rohr 3 zu messen, die eine geschlossene Kammer, wie beispielsweise ein Industrieofen, oder ein Rohr für strömende Fluide, wie beispielsweise ein Abgasrohr, sein kann. Eine Genauigkeit der Temperaturmessanordnung erhöht sich mit der Temperatur aufgrund des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses. Die Temperaturmessanordnung 1 umfasst eine Wärmestrahlungsquelle 5, die einer Schwarzkörperquelle ähnelt. Die Wärmestrahlungsquelle 5 kann zumindest teilweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein und kann eine geschwärzte Oberfläche aufweisen, um einem schwarzen Körper zu ähneln. Allerdings ist eine andere Oberfläche als schwarz ebenso möglich und es kann bezüglich einer Abweichung von einem schwarzen Körper kalibriert werden. Das Kalibrieren wird durchgeführt, in dem das Ausgangssignal von dem Sensor gemessen wird, der in einem festgelegten Abstand von der Wärmestrahlungsquelle bei bekannter Temperatur angeordnet wird. Ein weniger genaues Verfahren wäre es, den „Graukörper“-Reduktionskoeffizienten im Planck'schen Gesetz zu verwenden sowie eine Detektormaterial-Charakteristik, die Absorption in Spannung überträgt. Die Wärmestrahlungsquelle 5 ist gemäß der Erfindung innerhalb der Kammer/des Rohrs 3 angeordnet. Hiermit wird die Wärmestrahlungsquelle 5 direkt von der Temperatur innerhalb der Kammer/des Rohrs 3 beeinflusst. Gemäß der in 3a gezeigten Ausführungsform ragt ein länglicher Körper 7 in die Kammer/das Rohr 3 durch eine Öffnung 9 in einer Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 hinein. Die Wärmestrahlungsquelle 5 ist in einem ersten Ende 7a des länglichen Körpers 7 vorgesehen, wobei das erste Ende 7a des länglichen Körpers 7 innerhalb der Kammer/des Rohrs 3 vorgesehen ist, und wobei ein zweites Ende 7b des länglichen Körpers 7, welches das dem ersten Ende 7a gegenüberliegende Ende ist, außerhalb der Kammer/des Rohrs 3 vorgesehen ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der längliche Körper 7 hohl und aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet. Der längliche Körper 7 könnte beispielsweise einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, der zweckmäßigerweise der Größe der Öffnung 9 in der Wandung 11 entspricht. Eine Dichtungsanordnung könnte zudem zum Abdichten um den länglichen Körper 7 herum zu der Öffnung 9 in der Wandung 11 hin vorgesehen sein, um jede Leckage aus der Kammer/dem Rohr 3 hinaus zu verhindern. Der längliche Körper 7 umfasst in seinem zweiten Ende 7b einen Sensor 13, der hiermit außerhalb der Kammer/des Rohrs 3 angeordnet ist, wo die Temperatur niedriger ist als innerhalb der Kammer/des Rohrs und unterhalb von 300 °C liegt. Der Sensor 13 ist ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann. Der Sensor 13 ist derart an einer Position bereitgestellt, dass er Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle 5 durch die Öffnung 9 in der Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 hindurch erkennt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst der längliche Körper 7 ein abgedichtetes hohles Inneres, welches Vakuum beinhaltet, und Wandungen 15 des länglichen Körpers 7 sind zu der Wärmestrahlungsquelle 5 hin isoliert. Eine Isolationsvorrichtung 17 ist gezeigt, die zwischen den Wandungen 15 des länglichen Körpers 7 und der Wärmestrahlungsquelle 5 vorgesehen ist. Aufgrund des Vakuums und der Isolationsvorrichtung 17 wird die hohe Temperatur der Wärmestrahlungsquelle 5 nicht direkt oder durch Konvektion auf den Sensor 13 übertragen werden. Lediglich die von der Wärmestrahlungsquelle 5 emittierte Wärmestrahlung kann von dem Sensor erkannt werden, was eine korrekt gemessene Temperatur sicherstellen wird, und was sicherstellen wird, dass der Sensor nicht Temperaturen ausgesetzt sein wird, die den Sensor zerstören könnten.
Gemäß der Erfindung ist eine Abschirmung 19 vorgesehen, um den Sensor 13 zu Umschließen, wobei die Abschirmung eine Öffnung 21 in den Sensor 13 hinein frei lässt, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle 5 erlaubt, von dem Sensor 13 erkannt zu werden, und die von dem Sensor 13 zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen beschränkt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Abschirmung 19 derart gezeigt, dass sie eine erhöhte Kappe mit einer zentralen Öffnung 21 ist. Die Öffnung 21 wird hiermit in einem Abstand von dem Sensor 13 in Richtung zu der Wärmestrahlungsquelle 5 hin bereitgestellt. Die Größe der Öffnung 21 ist derart festgelegt, dass nahezu alle direkt von der Wärmestrahlungsquelle 5 kommende Strahlung in die Öffnung 21 eintreten wird und von dem Sensor 13 erkennbar sein wird, aber dass jede mögliche Strahlung, die von anderen Teilen der Wandungen 15 des länglichen Körpers 7 kommt, nicht in die Öffnung 21 eintreten kann.
Ein Radiator ist an einer zweiten Seite 13b des Sensors 13 vorgesehen, wobei die zweite Seite 13b einer ersten Seite 13a des Sensors gegenüberliegt, wobei die erste Seite 13a zu der Wärmestrahlungsquelle 5 gerichtet ist. Der Radiator 23 kann den Sensor 13 bedarfsweise weiter abkühlen. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein zweiter Isolator 25 zwischen dem Radiator 23 und den Wandungen 15 des länglichen Körpers 7 vorgesehen.
Die Abschirmung 19 kann aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Hiermit kann ein Temperaturgradient über die Abschirmung vermieden werden. Die warmen Teile über der Abschirmung könnten die Messgenauigkeit des Sensors 13 beeinträchtigen.
3b zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung 41 gemäß der Erfindung. Die grundlegenden wesentlichen Teile, die für die Erfindung notwendig sind, sind mit denselben oder entsprechenden Bezugszeichen wie in der in 3a gezeigten Ausführungsform versehen, d. h. eine Wärmestrahlungsquelle 5, ein Sensor 13 (der ein NIR- oder SWIR-Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann) und eine Abschirmung 19'. Die Abschirmung 19' ist derart gezeigt, dass sie gemäß dieser Ausführungsform eine andere Form hat, aber die Funktion ist immer noch die gleiche wie mit Bezug auf 3a beschrieben wurde. Die Form der Abschirmung 19' gemäß dieser Ausführungsform entspricht eher einem Kegel mit einer offenen Oberseite, welche die Öffnung 21 bereitstellt. Die Kammer/das Rohr 3, die Öffnung 9 in einer Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 sind auch mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut detailliert beschrieben. Ein Unterschied gemäß dieser Ausführungsform ist es, dass ein länglicher Körper 7' in einem zweiten Ende 7b' geöffnet ist, das auf demselben Niveau wie die Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 vorgesehen ist. Ein erstes Ende 7a' des länglichen Körpers 7' umfasst in derselben Weise wie zuvor die Wärmestrahlungsquelle 5 und erstreckt sich in die Kammer/das Rohr 3 durch die Öffnung 9 in der Wandung 11 hinein. Die Größe des länglichen Körpers 7' entspricht zweckmäßigerweise der Größe der Öffnung 9 in der Wandung 11 und eine Abdichtung kann um die Öffnung herum wie oben beschrieben vorgesehen sein. Der längliche Körper 7' ist auch gemäß dieser Ausführungsform hohl, aber nicht abgedichtet und mit Vakuum gefüllt, wie in der mit Bezug auf 3a beschriebenen Ausführungsform. Stattdessen ist der längliche Körper 7' für Umgebungsluft offen. Eine Wandung 15' des länglichen Körpers 7' ist mit der Wärmestrahlungsquelle 5 in dem ersten Ende 7a' des länglichen Körpers 7' verbunden und kann aus einem isolierenden Material ausgebildet sein. Hiermit wird ein Wärmeübertrag in der Wandung 15' des länglichen Körpers 7' begrenzt sein, was zweckmäßig ist, um die Temperatur der Wärmestrahlungsquelle 5 nahe der Gastemperatur im Inneren zu halten.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmestrahlungsquelle 5 und der Sensor 13 in separaten Teilen vorgesehen. Der längliche Körper 7' ist gemeinsam mit der Wärmestrahlungsquelle ein erster Teil 43, der in die Kammer/das Rohr 3 eingeführt ist, und der Sensor 13 ist gemeinsam mit der Abschirmung 19' und gegebenenfalls auch gemeinsam mit einem Radiator 23 ein zweiter Teil 45, der außerhalb der Kammer/des Rohrs 3 vorgesehen ist.
Gemäß der Ausführungsform, die mit Bezug auf 3b beschrieben wurde, gibt es aufgrund der zwei separaten Teile 43, 45 keinen direkten Kontakt zwischen der Wärmestrahlungsquelle 5 und dem Sensor 13. Dies ist positiv, da es einen Wärmeübertrag von der Wärmestrahlungsquelle 5 zu dem Sensor 13 minimieren wird. Es besteht daher keine Notwendigkeit einer zusätzlichen Isolationsvorrichtung zwischen der Wandung 15' und der Wärmestrahlungsquelle 5 wie gemäß der Ausführungsform, die mit Bezug auf 3a beschrieben wurde. Gemäß dieser Ausführungsform, bei welcher der längliche Körper 7' zur Umgebungsluft offen ist, wird eine Seite der Wärmestrahlungsquelle 5 von der Umgebungstemperatur von der Luft beeinflusst, die in den länglichen Körper 7' eindringt. Allerdings könnte ein Ausgleich bezüglich verschiedener Umgebungstemperaturen bereitgestellt werden, um einen Einfluss hiervon auf die letztlich gemessene Temperatur zu verringern. Ein Stopfen eines Materials, das für Wärmestrahlung transparent ist, könnte wie gemäß der Ausführungsform, die untenstehend mit Bezug auf 3c beschrieben ist, in der Öffnung 9 als Schutz vorgesehen sein.
Um den Sensor zu schützen, kann eine Linse oder ein Fenster 22 vorgesehen sein, welches/welches die Öffnung in den zweiten Teil 45 hinein abdeckt.
3c zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer Temperaturmessanordnung 61 gemäß der Erfindung. Die grundlegenden wesentlichen Teile, die für die Erfindung notwendig sind, sind mit denselben oder entsprechenden Bezugszeichen wie in der in 3a und 3b gezeigten Ausführungsform versehen, d. h. eine Wärmestrahlungsquelle 5, ein Sensor 13 (der ein NIR- oder SWIR ist) und eine Abschirmung 19'. Die Abschirmung 19' kann entweder eine erhöhte Kappe sein, wie in 3a gezeigt, oder ein Kegel mit einer offenen Oberseite, welche die Öffnung 21 bereitstellt. Die Kammer/das Rohr 3, die Öffnung 9 in einer Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 sind auch mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut detailliert beschrieben. Diese Ausführungsform, ebenso wie die mit Bezug auf 4b gezeigte Ausführungsform, umfasst zwei separate Teile, einen ersten Teil 43', der innerhalb der Kammer/des Rohrs 3 vorgesehen ist und die Wärmestrahlungsquelle 5 umfasst, sowie einen zweiten Teil 45', der außerhalb der Kammer/des Rohrs 3' vorgesehen ist und den Sensor 13, die Abschirmung 19' und gegebenenfalls einen Radiator 23 umfasst. Der erste Teil 43', d. h. die Wärmestrahlungsquelle 5, muss auf eine Weise an einer Wandung der Kammer/des Rohrs 3 innerhalb der Kammer/des Rohrs 3 befestigt sein. Dies ist in 3d gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Öffnung 9 in der Wandung 11 durch einen Stopfen 63 eines Materials abgedichtet, das transparent für die Wärmestrahlung ist. Das Material sollte auch hohen Temperaturen widerstehen können. Beispielsweise könnte elektrisch geschmolzener Quarz als Material für den Stopfen 63 verwendet werden.
Der erste und der zweite Teil 43', 45' der Temperaturmessanordnung 61 müssen innerhalb beziehungsweise außerhalb der Kammer/des Rohrs 3 derart an Positionen befestigt sein, dass Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle 5 durch den Stopfen 63 hindurch und ferner durch die Öffnung 21 der Abschirmung 19' hindurch tritt und dann von dem Sensor 13 erkannt wird. Wie gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen begrenzen die Größe und die Position der Öffnung 21 von dem Sensor 13 erkannte Wärmestrahlung von anderen Quellen. Wenn der Sensor 13 installiert wird, muss darauf geachtet werden, dass sichergestellt wird, dass sich Schmutz oder Wasser nicht um das Sensorelement herum ansammeln und die Messung unterbrechen. Um den Sensor zu schützen, kann eine Linse oder ein Fenster vorgesehen sein, welche/welches die Öffnung in den zweiten Teil 45' hinein abdeckt.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Messen von Temperaturen in einer Kammer oder einem Rohr 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Verfahrensschritte werden der Reihe nach unten beschrieben:

S1: Bereitstellen einer Wärmestrahlungsquelle 5 innerhalb der Kammer/des Rohrs 3.
S3: Bereitstellen S3 eines Sensors 13, der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, außerhalb der Kammer/des Rohrs 3 aber derart an einer Position, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennen kann, der von der Wärmestrahlungsquelle 5 durch eine Öffnung 9 in einer Wandung 11 der Kammer/des Rohrs 3 emittiert wird.
S5: Abschirmen S5 des Sensors 13 durch Bereitstellen einer Abschirmung 19; 19', die zum Umschließen des Sensors 13 vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung 21 aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle 5 erlaubt, in den Sensor 13 durch die Öffnung 21 hindurch einzutreten, wobei die Abschirmung 19; 19' von dem Sensor 13 zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahrens ferner den Schritt:

S7: Einstellen des Sensors 13 für eine Wellenlänge innerhalb des Bereichs von 1,4 bis 2 µm. Dieser Schritt kann gegebenenfalls in Kombination mit Schritt S3 durchgeführt werden.

Wahlweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt eines Kühlens des Sensors 13 durch ein Bereitstellen eines Radiators 23 zu einer zweiten Seite des Sensors, wobei die zweite Seite einer ersten Seite des Sensors 13 gegenüberliegt, wobei die erste Seite zu der Wärmestrahlungsquelle hin gerichtet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226847 A1 [0005]
US 2015/0129000 [0006]

Claims

Temperaturmessanordnung (1; 41; 61), eingerichtet zum Messen einer Temperatur in einer Kammer oder einem Rohr (3), wobei die Temperaturmessanordnung umfasst: - eine Wärmestrahlungsquelle (5), die einer Schwarzkörperquelle ähnelt und die innerhalb der Kammer/des Rohrs (3) angeordnet ist; - einen Sensor (13), der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, wobei der Sensor (13) außerhalb der Kammer/des Rohrs (3) derart an einer Position angeordnet ist, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennt, der von der Wärmestrahlungsquelle (5) durch eine Öffnung (9) in einer Wandung (11) der Kammer/des Rohrs (3) emittiert wird; - eine Abschirmung (19; 19'), die zum Umschließen des Sensors (13) vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung (21) aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle (5) erlaubt, in den Sensor (13) durch die Öffnung (21) hindurch einzutreten, wobei die Abschirmung (19; 19') von dem Sensor (13) zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.
Temperaturmessanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor ein Kurzwelle-HgCdTe-Sensor, ein InGaAs-Sensor, ein Extended-InGaAs-Sensor oder ein auf InGaAs basierender Quantentopf-Infrarot-Photodetektor ist.
Temperaturmessanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperaturmessanordnung dazu eingerichtet ist, eine Temperatur oberhalb von 300 °C in der Kammer oder dem Rohr (3) zu messen und wobei der Sensor (13) außerhalb der Kammer/des Rohrs angeordnet ist, wo die Temperatur unterhalb von 300 °C ist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (13) für eine Wellenlänge innerhalb des Bereichs von 1,4 bis 2 µm eingestellt ist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer/das Rohr (3) ein Abgasrohr ist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmestrahlungsquelle zumindest teilweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, und eine geschwärzte Oberfläche aufweist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (19; 19') Wandungen umfasst, die den Sensor (13) umschließen und eine Öffnung (21) in den Sensor (13) hinein freilassen, wobei die Öffnung (21) zwischen dem Sensor (13) und der Wärmestrahlungsquelle (5) vorgesehen ist, wobei die Öffnung derart dimensioniert und positioniert ist, dass sie es lediglich Wärmestrahlung, die direkt von der Wärmestrahlungsquelle (5) kommt, erlaubt, von dem Sensor erkannt zu werden, und dass sie von dem Sensor (13) zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen als der Wärmestrahlungsquelle (5) begrenzt.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Radiator (23) auf einer zweiten Seite (13b) des Sensors (13) vorgesehen ist, die einer ersten Seite (13a) des Sensors (13) gegenüberliegt, wobei die erste Seite (13a) zu der Wärmestrahlungsquelle (5) gerichtet ist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (19; 19') aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist.
Temperaturmessanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein länglicher Körper (7; 7') durch die Öffnung (9) in der Wandung (11) der Kammer/des Rohrs (3) hindurch in die Kammer/das Rohr (3) hinein ragt, wobei die Wärmestrahlungsquelle (5) in einem ersten Ende (7a; 7a') des länglichen Körpers (7; 7') vorgesehen ist, wobei das erste Ende (7a; 7a') des länglichen Körpers (7; 7') innerhalb der Kammer/des Rohrs (3) vorgesehen ist, und wobei ein zweites Ende (7b; 7b') des länglichen Körpers (7; 7'), welches das gegenüberliegende Ende des ersten Endes (7a; 7a') ist, außerhalb der Kammer/des Rohrs (3) oder an der Wandung (11) der Kammer/des Rohrs (3) vorgesehen ist, und wobei der längliche Körper (7; 7') aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet ist.
Temperatursensorvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der längliche Körper (7) in seinem zweiten Ende (7b) den Sensor (13) umfasst und wobei der längliche Körper (7) einen abgedichtete hohlen Innenraum umfasst, der Vakuum beinhaltet, wobei Wandungen (15) des länglichen Körpers (7) zu der Wärmestrahlungsquelle (5) hin isoliert sind.
Temperatursensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Öffnung (9) in der Wandung der Kammer/des Rohrs (3) von einem Stopfen (63) aus Material abgedichtet ist, das für die Wärmestrahlung transparent ist.
Verfahren zum Messen von Temperaturen in einer Kammer oder einem Rohr (3), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen (S1) einer Wärmestrahlungsquelle (5) innerhalb der Kammer/des Rohrs (3); - Bereitstellen (S3) eines Sensors (13), der ein Nahinfrarot-, NIR, oder Kurzwellen-Infrarot-, SWIR, Sensor eines Halbleitertyps oder von Halbleiter-Heterostrukturen ist, wobei der Sensor zum Erkennen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs eingestellt werden kann, außerhalb der Kammer/des Rohrs (3) aber derart an einer Position, dass er einen Wärmestrahlungsfluss erkennen kann, der von der Wärmestrahlungsquelle (5) durch eine Öffnung (9) in einer Wandung (11) der Kammer/des Rohrs (3) emittiert wird; - Abschirmen (S5) des Sensors (13) durch Bereitstellen einer Abschirmung (19; 19'), die zum Umschließen des Sensors (13) vorgesehen ist, wobei die Abschirmung eine Öffnung (21) aufweist, die es Wärmestrahlung von der Wärmestrahlungsquelle (5) erlaubt, in den Sensor (13) durch die Öffnung (21) hindurch einzutreten, wobei die Abschirmung (19; 19') von dem Sensor (13) zu erkennende Wärmestrahlung von anderen Quellen begrenzt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Bereitstellens (S3) eines Sensors ein Bereitstellen eines Sensors umfasst, der ein Kurzwellen-HgCdTe-Sensor, ein InGaAs-Sensor, ein Extended-InGaAs-Sensor oder ein auf InGaAs basierender Quantentopf-Infrarot-Photodetektor ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Messen von Temperaturen oberhalb von 300 °C in einer Kammer oder einem Rohr (3) ist und wobei das Verfahren ein Bereitstellen des Sensors (13) außerhalb der Kammer/des Rohrs (3) umfasst, wo die Temperatur unterhalb von 300 °C liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, ferner umfassend den Schritt eines Einstellens (S7) des Sensors (13) für eine Wellenlänge innerhalb des Bereichs von 1,4 bis 2 µm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Messen einer Temperatur in einem Auspuffrohr ist.