DE10336718B4 - Vorrichtung zur optischen Vermessung der Konturen von Probenkörpern bei hohen Temperaturen in einem gasdicht verschlossenem Rohrofen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur optischen Vermessung der Konturen von Probenkörpern bei hohen Temperaturen in einem gasdicht verschlossenen Rohrofen, in den von einer Seite Licht eingestrahlt wird während der Schatten des Probenkörpers von der anderen Seite beobachtet wird, bei der
• der Probenkörper von einer Seite durch eine oder mehrere im kurzwelligen Bereich emittierende Beleuchtungsmittel beleuchtet wird, während die Betrachtung der Kontur durch einen für den gleichen Frequenzbereich durchlässigen schmalbandigen Filter erfolgt, der auf der entgegengesetzten Seite vor einem Aufnahmegerät angeordnet ist oder innerhalb eines Aufnahmegerätes angeordnet ist,
• der Probenkörper (1) auf einer Unterlage (2) liegt, die auf zwei Keramikstäben (3) ruht, die ihrerseits mit einem kleinen Spiel an einem Tubus (6) befestigt sind, der um eine Achse (7) senkrecht zur Ofenachse (8) gedreht werden kann,
• dieser Tubus (6) über eine Linearführung (10) geführt verfahren werden kann, und
• das Beleuchtungsmittel zusammen mit dem Tubus (6) verfahrbar...

Description

• Gegenstand der Erfindung:
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Positionierung von Probenkörpern zur optischen Vermessung der Konturen dieser Probenkörper bei hohen Temperaturen in einem gasdicht verschlossenen Rohrofen mit Hilfe eines kurzwellig emitierenden Beleuchtungsmittels und einem dazu korrespondierenden Filter in einer optischen Beobachtungseinrichtung.
• Aufgabe der Erfindung:
• Es sind verschiedene Verfahren wie z.B. die Bestimmung von Benetzungswinkeln, oder Beobachtung von Formänderungen bekannt, mit denen Informationen über das Verhalten von Probenkörpern bei hohen Temperaturen und die Eigenschaften von Schmelzen gewonnen werden.
• Ob die Ergebnisse solcher Untersuchungen für die Praxis zutreffende Aussagen bieten hängt von einer Reihe Faktoren ab, zu denen die Temperatur, deren exakte Bestimmung ebenso wie die Kontrolle der umgebenden Atmosphäre gehören.
• Die Aufgaben die heute zu lösen sind erfordern zunehmend Untersuchungen im Temperaturbereich oberhalb 1600°C in oxidierenden, reduzierenden oder inerten Atmosphären. Öfen die dazu geeignet sind gehören heute zu Stand der Technik und werden z. B. von der HTM-Reetz GmbH mit dem Typ LORA angeboten. Geräte zur Beobachtung und Konturbestimmung von Probenkörpern aus großen Entfernungen im Durchlichtverfahren gehören heute zum Stand der Technik und werden z.B. von der Krüss GmbH mit dem Gerät DSA10 angeboten.
• Bei der Nutzung solcher Öfen für optische Beobachtungen bei hohen Temperaturen tauchen eine Reihe von praktischen Problemen auf. Die Betrachtung der Kontur selbst leuchtender Probenkörper im Durchlicht gelingt nur, wenn das Durchlicht mindestens im Spektralbereich in dem der Probenkörper beobachtet wird, sehr viel intensiver als die Emission des Probenkörpers in diesem Spektralbereich ist, und der Frequenzbereich in dem der Probenkörper selbst vorrangig emitiert herausgefiltert wird. Da die Probenkörper vorzugsweise im langwelligen Frequenzbereich (rot bis gelb) emitieren, wird zur Beleuchtung ein schmales Frequenzband kurzwelligen Lichtes (z.B. blau) verwendet, und nur dieses Licht zur Betrachtung des Probenkörpers durch einen schmalbandigen Filter des gleichen Frequenzbereiches zugelassen. So kann man trotz der großen Leuchtstärke des Probenkörpers mit einer Beleuchtung geringer Leistung, wie sie LEDs bieten arbeiten.
• Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtung der Probenkörper anzugeben, die eine Untersuchung der Kontur im Schattenriß bis zu höchsten Temperaturen ermöglicht.
• Die zweite Aufgabe hängt damit zusammen, daß gasdichte Rohröfen eine bestimmte Mindestlänge benötigen.
• Um Ihre Enden dicht zu verschließen, müssen lösbare Dichtungen eingesetzt werden, die, sollen die Kosten im Rahmen bleiben, auf Elastomeren beruhen, die gewöhnlich bis 300°C einsetzbar sind. Erfolgt die Messung bei 1700°C, ändern sich die Temperaturen des Arbeitsrohres vom Dichtungsbereich bis zum Probenkörper um mehr als 1400°C. Bei den heute verfügbaren Werkstoffen für solche Rohre, die nicht nur der Temperatur standhalten sondern auch in einem breiten Spektrum von Gasen gegen Korrosion resistent sind, handelt es sich um keramische Werkstoffe bei denen aufgrund ihres hohen Ausdehnungskoeffizienten bei hohen Temperaturgradienten die Gefahr besteht, daß sie reißen. Ein Beispiel ist reines, dicht gesintertes Aluminiumoxid, das einen Ausdehnungskoeffizienten von ca 8 × 10-6 aufweist.
• Um die Temperaturgradienten nicht zu hoch werden zu lassen, benötigt man entsprechend lange Abkühlbereiche, die z.B.
• 40 mm Innendurchmesser eine Länge von 200 mm erreichen. Dies führt dazu, daß die Probenkörper etwa 300 mm tief in den Ofen eingeführt werden müssen.
• Da bei den verfügbaren Bauteilen bei Temperaturen oberhalb 1600°C bereits weichplatische Verformung einsetzt, ändern sich die geometrischen Verhältnisse in solchen Öfen praktisch von Experiment zu Experiment und eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist einen Probenkörperhalter anzugeben, der es möglich macht, die Probenkörper einfach und ausreichend genau im Ofeninnern zu positionieren.
• Darstellung des Wesens der Erfindung:
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Probenkörperbeleuchtung dadurch gelöst, daß das Licht eines Beleuchtungsmittels, z.B. einer oder mehrerer blau leuchtender Dioden, von einer Seite auf den Probenkörper gerichtet wird, die von der anderen Seite mit geeigneten technischen Mitteln wie z.B. einer CCD-Kamera durch einen Interferenzfilter mit einem Transmissionsoptimum, das der Wellenlänge der LEDs entspricht, hindurch erfaßt wird. Wie sich zeigt, ist die Intensität des blauen Lichtes heute verfügbarer Leuchtdioden so hoch, daß sie den Blau-Anteil des bei 1700°C emittierten Lichtes der Probenkörper weit übertrifft und die Probenkörper vor dem blauen Hintergrund einen ausgezeichneten Schatten werfen.
• Die Aufgabe der Probenkörperlagerung wird mit einer Konstruktion gelöst, die in 1, 2 und 3 dargestellt ist und nachstehend beschrieben werden soll:
  Der Probenkörper (1) liegt auf einer Unterlage (2), deren Querschnitt in grober Näherung die Form eines T-aufweist. Diese Unterlage (2) ruht auf zwei Keramikstäben (3), die an der Innenwand des Arbeitsrohres (4) aufliegen.
• Die zylindrische Form des Rohres sorgt dafür, daß die Schwerkraft in einer Kraft (F) resultiert, die danach strebt die beiden Stäbe zusammenzuschieben. Sie stützen sich am Sockel der Unterlage ab, der damit Ihren Abstand bildet.
• Die Keramikstäbe (3) enden in Stiften (5), die an einem Tubus (6) sitzen, der um eine Achse (7) senkrecht zur Rohrachse (8) gedreht werden kann. Mit dieser Drehung ist es möglich einen kleinen Winkel zwischen Rohrachse (8) und den Keramikstäben (3) einzustellen; was bei einem kleinen Spiel in der Befestigung der Keramikstäbe (3) oder deren Durchbiegung am Ort der Unterlage (2) dazu führt, das sich deren Neigung ändert. Dadurch entsteht die Möglichkeit die Position des Probenkörpers (1) in-situ zu korrigieren.
• Nach der Korrektur kann der Tubus (6) fest mit dem Verschlußflansch (9) verbunden werden, der seinerseits in einer Linearführung (10) geführt verschoben werden kann.
• Die Keramikstäbe (3) sind so lang, daß sie bei voll ausgefahrenem Verschlußflansch (9) am Rand des Arbeitsrohres (4) aufliegen.
• Die Enden der Keramikstäbe (3) sind abgerundet oder angefast, so daß sie gut über kleinere Hindernisse rutschen.
• In einem Ausführungsbeispiel wird der Ofen mit einem Kreuz-Stück (11) verlängert, das auf einer Doppelspurschiene (12) befestigt wird, die in einem Laufwagen (13) geführt ist, der fest mit dem Ofen (14) verbunden wird.
• Auf dem Zweig, der senkrecht zur Rohrachse steht, wird das Beleuchtungsmittel (15) zur Beleuchtung der Probenkörper oberhalb eines Fensterflansches (16) montiert, der gleichzeitig als Montagebasis eines sich im Tubus (6) befindlichen Spiegelhalters (17) dient, der einen zur Achse geneigten Spiegel aufnimmt.
• Der Spiegelhalter (17) kann bei Überwindung der Reibungskräft in der Dichtung um eine Achse (7) gedreht werden, die senkrecht zur Rohrachse (8) steht.
• Am Spiegelhalter (17) sind zwei Stifte (5) befestigt, auf denen die Keramikstäbe (3) sitzen.
• Diese Keramikstäbe verfügen am Ort des Probenkörpers über je eine angeschliffene Fläche auf der die Probenkörperunterlage (1) liegt. Die Keramikstäbe (3) sind mit den Stiften (5) formschlüssig durch verstiften verbunden.
• Die dem Ofen abgewandte Öffnung des T-Stückes ist mit einem Flansch (18) verschlossen, der über einen Anschluß für das Arbeitsgas (19) und eine Durchführung für das Thermoelement (20) verfügt.
• Das Thermoelement (20) reicht bis zur Probenkörperunterlage die eine Bohrung (21) aufweist, in der es steckt.
• Gegenüber der Beschickungsseite ist der Ofen mit einem Fensterflansch verschlossen, dem ein für blaues Licht transparenter Filter folgt, hinter dem justierbar die optischen Instrumente zur Probenkörperbeobachtung angeordnet sind.

1

Probenkörper

2

Unterlage

3

Keramikstäbe

4

Arbeitsrohr

F

Kraft

5

Stifte

6

Tubus

7

Achse

8

Rohrachse

9

Verschlußflansch

10

Linearführung

11

Kreuz-Stück

12

Doppelspurschiene

13

Laufwagen

14

Ofen

15

Diodenfeld

16

Fensterflansch

17

Spiegelhalter

18

Flansch

19

Anschluß für das Arbeitsgas

20

Durchführung für das Thermoelement

21

Objektiv mit Filter

22

CCD- Kamera

Claims (6)

1. Vorrichtung zur optischen Vermessung der Konturen von Probenkörpern bei hohen Temperaturen in einem gasdicht verschlossenen Rohrofen, in den von einer Seite Licht eingestrahlt wird während der Schatten des Probenkörpers von der anderen Seite beobachtet wird, bei der • der Probenkörper von einer Seite durch eine oder mehrere im kurzwelligen Bereich emittierende Beleuchtungsmittel beleuchtet wird, während die Betrachtung der Kontur durch einen für den gleichen Frequenzbereich durchlässigen schmalbandigen Filter erfolgt, der auf der entgegengesetzten Seite vor einem Aufnahmegerät angeordnet ist oder innerhalb eines Aufnahmegerätes angeordnet ist, • der Probenkörper (1) auf einer Unterlage (2) liegt, die auf zwei Keramikstäben (3) ruht, die ihrerseits mit einem kleinen Spiel an einem Tubus (6) befestigt sind, der um eine Achse (7) senkrecht zur Ofenachse (8) gedreht werden kann, • dieser Tubus (6) über eine Linearführung (10) geführt verfahren werden kann, und • das Beleuchtungsmittel zusammen mit dem Tubus (6) verfahrbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Tubus (6) zur Keramikstabbefestigung zusätzlich als Aufnahme für einen Umlenkspiegel dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Tubus (6) zur Keramikstabbefestigung in einem Installationselement wie Kreuz- oder T-Stück (11) mit mindestens 3 Flanschen befindet, das fest mit einer verfahrbaren Baugruppe des Ofens verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein Thermoelement (20) vorgesehen ist, das gleichzeitig mit dem Installationselement verschoben wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das optische Aufnahmegerät auf verschiebbaren Justierelementen angebracht ist, die es ermöglichen, das optische Aufnahmegerät in zwei Achsen quer zur Ofenachse zu bewegen und um eine Achse zu neigen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Beleuchtungsmittel in zwei Achsen quer zur Ofenachse verschiebbar und um diese beiden Achsen kippbar angeordnet sind.