DE10213392C1 - Verfahren zur Messung der Umgebungstemperatur - Google Patents
Verfahren zur Messung der UmgebungstemperaturInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Messung der Umgebungstemperatur in schwer zugänglichen oder gefährdeten Bereichen, insbesondere in der Nähe von Stoff-, Papier- oder dergleichen Materialbahnen oder sonstigen geförderten Werkstücken oder Werkstoffen, deren mindestens eine Eigenschaft mit einer Methodik bestimmt wird, welche mindestens die unmittelbare Umgebungstemperatur als Vergleichs- oder Referenzwert benötigt. Erfindungsgemäß wird eine an sich bekannte pyrometrische Strahlungsmeßeinrichtung eingesetzt. Ein im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung stehender thermischer Strahler wird in unmittelbarer Nähe der Materialbahn positioniert. Über diesen thermischen Strahler erfolgt dann eine Erfassung des Wärmestrahlungsspektrums mittels des Pyrometers und damit eine mittelbare Umgebungstemperatur-Bestimmung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der
Umgebungstemperatur gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie eine Temperaturmeßanordnung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß Patentanspruch 2.
Als elektrische und elektronische Temperatursensoren sind
Thermoelemente, Widerstandsthermometer, Halbleiterele
mente, aber auch faseroptische Sensoren in Gebrauch, die
einen großen Temperaturbereich abdecken. Im allgemeinen
werden derartige Sensoren als im umgebenden Medium
angeordnete Meßfühler ausgebildet, die insbesondere über
elektrische Leitungen mit Spannung und Strom versorgt
werden.
Für Flächengewichts-Messungen an schnell geförderten
Materialbahnen, wie Stoff-, Papier- und dergleichen
Bahnen, ist aus Gründen der Meßgenauigkeit eine präzise
Bestimmung der Temperatur der Umgebungsluft erforderlich.
Hier sind die Einsatzmöglichkeiten der genannten außen
liegenden Temperatursensoren begrenzt. Die Sensoren müssen
nämlich über eine hinreichend kurze Ansprechzeit und daher
über eine möglichst geringe Wärmekapazität verfügen und
andererseits ausreichend robust ausgeführt werden, da
diese in unmittelbarer Nähe zur Materialbahn, z. B. einer
Bahn, die durch eine Textilveredelungs-Anlage in rauher
Industrieumgebung geführt wird, installiert werden.
Mechanische Robustheit ist bei den bekannten Ausführungs
formen im Regelfall mit einer massiveren Bauweise und
damit einer zu hohen Wärmekapazität mit entsprechend
langer Ansprechzeit verbunden.
In explosionsgefährdeten Räumen oder in unmittelbarer Nähe
einer Materialbahn, welche brennbare Lösungsmitteldämpfe
absondert, verbietet sich darüber hinaus der Einsatz elek
trisch offenliegender Bauelemente oder es sind gesonderte
Ex-Schutz-Maßnahmen erforderlich.
Pyrometrische Temperatursensoren, die ein Wärmestrahlungs-
Spektrum zur Temperaturmessung nutzen und daher berüh
rungslos arbeiten, können zur Messung der Temperatur der
Umgebungsluft einer Materialbahn nicht ohne weiteres
eingesetzt werden, da die Wärmestrahlungs-Charakteristiken
von Gasen, vor allem durch deren sehr schlechte Überein
stimmung, mit dem Verhalten eines sogenanntes Schwarzen
Strahlers eine präzise Temperaturbestimmung sehr schwierig
gestalten.
Aus der DE 43 40 430 A1 ist ein Verfahren zum berührungs
losen Messen einer Teiletemperatur vorbekannt. Gemäß der
dortigen Lehre wird ein Oberflächenbereich eines Werk
stücks selbst, nicht aber die Umgebungstemperatur dieses
Werkstücks pyrometrisch vermessen. Dies geschieht dadurch,
daß der zu vermessende Oberflächenbereich vor dem Meßvor
gang einem Prozeß unterworfen wird, der den Strahlungs
emissionsgrad der Oberfläche vergrößert und verbessert.
Dies wird beispielsweise durch eine Heizspirale oder durch
Bestrahlung mittels Laserlicht ermöglicht.
Aus: Feingerätetechnik, 26. Jahrgang, Heft 3/1977, Seite
125 bis 127, ist es bekannt, den Emissionsgrad von Ober
flächen durch z. B. Mattlackbeschichtung zu erhöhen. Ins
besondere wird dort darauf aufmerksam gemacht, daß bei
einer Schwärzung eines Meßobjekts diese Schwärzung sich
auf den Meßfleck beschränken sollte, um die thermodyna
mischen Eigenschaften des Objekts insgesamt nicht zu
verändern.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zur Messung von Umgebungstemperaturen, in
unmittelbarer Nähe von schnellaufenden, einer Flächenge
wichts-Messung unterzogenen Materialbahnen, und eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben,
welches bzw. welche in einfacher und kostengünstiger Weise
in einem bereits bestehenden Fertigungs- und/oder Rege
lungsprozeß zu implementieren ist, das eine kurze An
sprechzeit der Temperaturmessung ermöglicht und welches
bzw. welche eine exakte Temperaturmessung gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem
Verfahren in seiner Definition nach Patentanspruch 1 und
mit einer Temperaturmeßanordnung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 2,
wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird mittels einer pyrometrischen Strah
lungsmeßeinrichtung die Temperatur eines in unmittelbarer
Nähe der Materialbahn angeordneten und im thermischen
Gleichgewicht mit der dortigen Umgebung stehenden flächi
gen Strahlers über dessen Wärmestrahlungs-Spektrum
gemessen und somit die Temperatur des umgebenden und
unmittelbar über der Materialbahn befindlichen Mediums
indirekt bestimmt.
Da der Strahler im thermischen Gleichgewicht mit dem
umgebenden Medium steht, weist er die gleiche Temperatur,
aber eine gezielt verbesserte Strahlungscharakteristik
auf. Es kann eine pyrometrische Temperaturmessung beab
standet zur Materialbahn erfolgen, wobei durch den
flächigen Strahler sichergestellt ist, daß tatsächlich die
Temperatur des umgebenden Mediums, z. B. Luft, und nicht
die einer unerwünschten Hintergrund-Oberfläche bestimmt
wird.
Anordnungsseitig ist der Strahler als eine im Wärmekontakt
zur gasförmigen Umgebung stehende dünne Folie ausgebildet,
die eine geringe Wärmekapazität und eine im Verhältnis zu
ihrem Volumen große Wärmeaustauschfläche mit dem umgeben
den Medium aufweist. Dadurch wird eine geringe Ansprech
zeit der gesamten Temperaturmeßanordnung erreicht, da die
Folie in kurzer Zeit die Umgebungstemperatur annimmt.
Zur Abschirmung von ergebnisverfälschender Wärmestrahlung
aus sonstigen unerwünschten Wärmequellen, insbesondere aus
Richtung der Materialbahn, ist die Folie mindestens ein
seitig mit einer mindestens für den infraroten Spektral
bereich des elektromagnetischen Spektrums undurchlässigen
Beschichtung versehen. Auftreffende Wärmestrahlung von
weiteren, neben der Umgebungsluft vorhandenen Wärmequellen
wird durch diese Beschichtung reflektiert, dringt demzu
olge nicht in das Folienmaterial ein und erwärmt somit die
Folie nur in einem zu vernachlässigenden Maße.
Als abschirmende Beschichtung kommen hierbei insbesondere
metallische Materialien in Betracht, die beispielsweise
durch einen Aufdampf- oder ähnlichen Abscheideprozeß auf
die Folie aufgetragen werden können. Metallische Schichten
sind deshalb vorteilhaft, da diese im langwelligeren
Bereich des elektromagnetischen Spektrums einen Refle
xionskoeffizienten größer 90% besitzen.
Auf der dem pyrometrischen Strahlungsmeßgerät zugewandten
Seite kann die dünne Folie mit einer den Emissionsfaktor
der Folienoberfläche erhöhenden Beschichtung versehen
sein. Die Beschichtung erfolgt hierbei in der Weise, daß
sich die Strahlungscharakteristik der Folie möglichst der
eines idealen Schwarzen Strahlers annähert.
Erfahrungsgemäß kommen für eine solche Beschichtung geeig
nete Lacke, insbesondere Carbonlacke in Betracht, bei
denen sich eine größtmögliche Übereinstimmung mit der
Strahlungscharakteristik eines Schwarzen Strahlers in
durchgeführten Versuchen erwiesen hat.
Die gesamte Vorrichtung aus dünner Folie und pyrome
trischem Strahlungsmeßgerät ist so ausgeführt, daß das
Strahlungsmeßgerät räumlich getrennt zur dünnen Folie
angeordnet ist. Der Abstand wird hierbei im wesentlichen
nur durch die Abmessungen der Folienoberfläche und dem
sich aus dem Pyrometerobjektiv ergebenden Öffnungswinkel
bestimmt. Dadurch ist es möglich, Wartungs- und Reparatur
arbeiten in besonders einfacher Weise zu gestalten, indem
eine defekte Folie durch eine andere ersetzt werden kann.
Ebenso ist eine Messung der Umgebungstemperatur in
unmittelbarer Nähe zur Materialbahn aus einer Distanz
möglich, wobei sämtliche elektrischen Zuführungsleitungen
außerhalb des Gehäuses, das das Pyrometer enthält
entfallen.
Die pyrometrische Strahlungsmeßeinrichtung kann innerhalb
eines separat angeordneten Gehäuses untergebracht sein,
das mindestens auf einer der dünnen Folie zugewandten
Seite ein für Strahlung im infraroten und langwelligeren
Spektralbereich durchlässiges Fenster besitzt.
Durch die erfindungsgemäße Temperaturmeßanordnung ist es
möglich, Umgebungstemperaturen in der Nähe geförderter
und/oder bewegter Warenbahnen berührungslos zu bestimmen.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Umgebung
der Bahn durch Lösungsmitteldämpfe oder sonstige Einflüsse
belastet ist, was eine Standard-Temperaturmessung mit
elektrischen Elementen ausschließt. Da die pyrometrische
Meßeinrichtung außerhalb der zu vermessenden Umgebung
angeordnet und die dünne Folie keine elektrischen
Zuführungen benötigt, wird ein Unfall- und Störungsrisiko
vermieden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungs
beispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung einer dünnen
Folie, insbesondere deren Schichtaufbau auf
einer einem pyrometrischen Strahlungmeßgerät
zugewandten Seite;
Fig. 1b eine schematische Darstellung einer dünnen
Folie, insbesondere deren Schichtaufbau auf
einer dem pyrometrischen Strahlungsmeßgerät
abgewandten Seite; und
Fig. 2 eine Gesamtansicht einer
Temperaturmeßanordnung gemäß der Erfindung.
Die Fig. 1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung
einer in unmittelbarer Nähe zu einer nicht dargestellten
Materialbahn angeordneten dünnen Folie, insbesondere im
Hinblick auf deren Schichtaufbau bzw. Beschichtung.
Die dünne Folie 1 weist eine infrarote Strahlung reflek
tierende Metallbeschichtung 2 auf. Diese abschirmende
Beschichtung ist zweckmäßigerweise aufgedampft und so
ausgeführt, daß deren Schichtdickte ein Eindringen von aus
nicht vom umgebenden Medium stammender Wärmeenergie in das
Folienmaterial verhindert. Hier genügt bereits eine
Schichtdicke von wenigen Mikrometern, sofern die abschir
mende Schicht aus einem Material mit einer hohen metalli
schen Leitfähigkeit und damit einem hohen Reflexionsver
mögen im infraroten Spektralbereich besteht. Beispiels
weise kann die Schicht aus Silber oder Aluminium ausge
führt sein. Die Metallbeschichtung 2 ist vorteilhaft
beidseitig auf der dünnen Folie ausgebildet.
Eine den Emissionsfaktor erhöhende Beschichtung ist im
wesentlichen im Zentrum bevorzugt auf einer Seite der
dünnen Folie befindlich. An diese Beschichtung wird die
Anforderung gestellt, daß die Strahlungscharakteristik der
Folienoberfläche im beschichteten Bereich der Strahlungs
charakteristik eines Schwarzen Strahlers mit maximalem
Emissionsvermögen möglichst nahekommt.
Da maximales Emissionsvermögen mit einer maximalen Absorp
tion einhergeht, muß diese Beschichtung schwarz und matt
ausgeführt werden. Vorteilhaft ist hier eine Carbonlack
beschichtung 3. Diese emissionsfördernde Beschichtung wird
zweckmäßigerweise auf der dem Pyrometer zugewandten Seite
der dünnen Folie aufgebracht, wie dies aus dem bildlichen
Vergleich der Fig. 1a und 1b hervorgeht.
In Fig. 2 ist eine Anordnung aus einem pyrometrischen
Strahlungsmeßgerät 4 und einer dünnen Folie 1 dargestellt.
Die dünne Folie 1 steht im thermischen Gleichgewicht mit
der Umgebung, z. B. Luft, und strahlt über die Carbonlack
beschichtung 3 ein der Umgebungstemperatur entsprechendes
Wärmestrahlungsspektrum ab, welches vom pyrometrischen
Strahlungsmeßgerät 4 detektiert wird. Die dünne Folie 1
und das pyrometrische Strahlungsmeßgerät 4 sind räumlich
getrennt. Der Abstand zwischen beiden Komponenten der
Meßanordnung ist im wesentlichen nur durch den Öffnungs
winkel bestimmt, der seinerseits apparativ durch ein
Objektiv des pyrometrischen Strahlungsmeßgeräts 4 und der
Empfindlichkeit des Geräts selbst vorgegeben ist. Das
Strahlungsmeßgerät 4 als der eigentliche Temperatur
detektor befindet sich somit außerhalb der unmittelbaren
Umgebung der Materialbahn 8.
Zusätzlich ist das Strahlungsmeßgerät 4 in einem gekapsel
ten Gehäuse 5 angeordnet, das insbesondere eine explo
sionsgeschützte Zuführungsmöglichkeit für elektrische
Leitungen 7 aufweist. In Richtung der dünnen Folie 1 weist
das Gehäuse 5 ein für Wärmestrahlung im zu erwartenden
Spektralbereich durchlässiges Fenster 6 auf, welches auf
den Öffnungswinkel des pyrometrischen Strahlungsmeßgeräts
in der Weise abgestimmt ist, daß die emissionsoptimierte
Beschichtung 3 der dünnen Folie 1 in optimaler Weise auf
das Objektiv des pyrometrischen Strahlungsmeßgeräts 4
abgebildet wird.
In einer Alternative kann anstelle einer metallbeschich
teten Folie eine Metallfolie selbst zum Einsatz kommen,
die auf einer Seite die vorerwähnte emissionsoptimierte
Beschichtung 3 aufweist.
Erfindungswesentlich ist, dass der thermische Kontakt zum
Gehäuse sehr schlecht gestaltet werden kann, während die
Fläche zum Wärmeaustausch mit der Umgebung gleichzeitig
sehr groß ist. Der Einfluß der Temperatur der Halterung
der Folie ist daher außerordentlich gering.
1
dünne Folie
2
Metallschicht
3
emissionsfördernde Beschichtung (Carbonlackschicht)
4
pyrometrisches Strahlungsmeßgerät
5
Gehäuse
6
Fenster
7
elektrische Zuführungen
8
Materialbahn
Claims (8)
1. Verfahren zur Messung der Umgebungstemperatur in unmittelbarer Nähe
von, auch schnelllaufenden, Stoff-, Papier- oder dergleichen Materialbahnen
oder sonstigen geförderten Werkstücken oder Werkstoffen, deren mindestens
eine Eigenschaft mit einer Methodik bestimmt wird, welche mindestens die
unmittelbare Umgebungstemperatur als Vergleichs- oder Referenzwert
benötigt, sowie unter Verwendung eines pyrometrischen Strahlungsmeß
geräts,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein im thermischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium stehender
flächiger thermischer Strahler, der mit einer, ein Eindringen von nicht vom
umgebenden Medium stammender Wärmeenergie verhindernden, abschir
menden Beschichtung sowie mit einer gezielt verbesserten Strahlungscharak
teristik versehen ist, in unmittelbarer Nähe der Materialbahn angeordnet
wird, wobei über das Wärmestrahlungsspektrum des flächigen Strahlers eine
indirekte Temperaturbestimmung des die Materialbahn umgebenden gas
förmigen Mediums erfolgt.
2. Temperaturmeßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahler als eine in unmittelbarer Nähe der Materialbahn (8) angeord
nete, im Wärmekontakt zur gasförmigen Umgebung stehende dünne Folie (1)
geringer Wärmekapazität und großer Wärmeaustauschfläche ausgebildet ist,
zur Abschirmung gegen Wärmestrahlung weiterer, unerwünschter Wärme
quellen, auch von der Materialbahn (8) selbst, die Oberfläche der Folie (1)
mindestens einseitig mit einer mindestens für den infraroten Spektralbereich
undurchlässigen, reflektierenden Beschichtung versehen ist oder aus einem
solchen Material besteht und das Strahlungsmeßgerät (4) räumlich getrennt
zur dünnen Folie (1) angeordnet ist.
3. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die reflektierende Beschichtung eine Metallschicht (2) ist.
4. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünne Folie (1) mindestens auf der dem pyrometrischen Strahlungsmeß
gerät (4) zugewandten Seite eine Beschichtung mit bekanntem und tempe
raturunabängigem Emissionsfaktor aufweist.
5. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die den Emissionsfaktor erhöhende Beschichtung aus einer Lack-, insbe
ondere Carbonlackbeschichtung (3), besteht.
6. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das pyrometrische Strahlungsmeßgerät (4) als selbständige Einheit räumlich
getrennt zur dünnen Folie (1) in einem im wesentlichen durch die Abmes
sungen und damit den Öffnungswinkel des Objektives des pyrometrischen
Strahlungsmeßgerätes (4) definierten Abstand angeordnet ist.
7. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das pyrometrische Strahlungsmeßgerät innerhalb eines Gehäuses (5)
angeordnet ist, welches auf einer der dünnen Folie (1) zugewandten Seite
ein mindestens für infrarote Strahlung durchlässiges Fenster (6) aufweist.
8. Temperaturmeßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anordnung aus dünner Folie (1) und pyrometrischem Strahlungsmeßgerät
(4) zur Messung der Umgebungstemperatur an schnelllaufenden und/oder
geförderten textilen Warenbahnen, deren Flächengewicht laufend zu
bestimmen ist, angewendet wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131001 |