DE10346993A1

DE10346993A1 - Berührungslose Temperaturmessung

Info

Publication number: DE10346993A1
Application number: DE10346993A
Authority: DE
Inventors: Walter Greutmann; Roland Stiem
Original assignee: Alcan Technology and Management Ltd
Current assignee: 3A Composites International AG
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-06-02
Also published as: WO2005036115A1

Abstract

Bei einer Temperaturmessvorrichtung (11) zum kontaktlosen Messen der Temperatur von Gegenständen (16) mittels eines Pyrometers (10) wird eine Kalibrierungseinheit (20) vorgesehen, welche die Rohmesswerte (18) des Pyrometers (10) selbsttätig kalibriert. Die Kalibrierung erfolgt mithile von Messwerten eines Referenzsensors (22), der gegenüber dem Pyrometer (10) auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruht. Als Messsensor für die Referenztemperaturmessung bietet sich beispielsweise ein Thermoelement (22) an. Die Referenzmessung erfolgt dabei nicht ständig, sondern nur zu bestimmten Zeitpunkten, beispielsweise in regelmäßigen Intervallen. Dazu ist der Referenzsensor (22) gegebenenfalls beweglich zu lagern. Werden Pyrometer (10) und Thermoelement (22) verschiebbar gelagert, kann der Gegenstand (16) in unterschiedlichen Oberflächenbereichen gemessen und kalibriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmessvorrichtung zum kontaktlosen Messen der Temperatur von Gegenständen, mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung, insbesondere einer optischen Sensoreinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung, wie insbesondere einer Pyrometereinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer sich selbsttätig kalibrierenden kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung.
Im Rahmen einer Materialbearbeitung, insbesondere bei industriellen Fertigungsprozessen, ist oftmals eine Messung der Temperatur des zu verarbeitenden Werkstücks erforderlich. Rein beispielhaft seien an dieser Stelle Gießverfahren, Schmiedeverfahren, Stanzverfahren, Ziehverfahren und Strangpressverfahren genannt. Häufig ist dabei das Einhalten bestimmter Temperaturgrenzen wesentlich für den Fertigungsprozess. Dies kann einerseits hinsichtlich des Fertigungsprozesses gelten (z. B. dass eine Obergrenze für die zulässigen Temperaturen beachtet werden muss, beispielsweise weil der Schmelzpunkt des zu bearbeitenden Materials nicht erreicht werden darf) andererseits aber auch hinsichtlich des zu fertigenden Werkstücks, da eine zu hohe oder zu niedrige Temperatur beispielsweise zu inneren Spannungen, schlechtem Belastungsverhalten oder Rissen in den Oberflächen des Werkstücks führen kann.
Vor allem bei industriellen Fertigungsprozessen sind die zu beachtenden Nebenbedingungen, die das Messverfahren erfüllen muss, ein Problem. Einerseits soll ein möglichst genaues Messergebnis erzielt werden. Weiterhin sind oftmals relativ hohe Temperaturen zu messen. Auch ist es wünschenswert, dass die Messung das zu fertigende Produkt nicht nachteilig beeinflusst. Schließlich soll die Messung auch möglichst verschleißarm sein, also dass Messwertaufnehmer nur selten oder überhaupt nicht gewechselt werden müssen. Schließlich muss die Messung auch relativ schnell erfolgen, und bei manchen Prozessen, wie beispielsweise bei Strangpressverfahren, auch an einem sich bewegenden Objekt durchgeführt werden können.

Um diese Nebenbedingungen erfüllen zu können, werden für derartige Temperaturmessaufgaben meist berührungslose Messsensoren eingesetzt. Insbesondere haben sich pyrometrische Temperaturmessverfahren durchgesetzt.

Die pyrometrische Temperaturmessung geschieht unter Ausnutzung der Planck'schen Strahlungsgesetze. Die von einem Körper in Form von Strahlung ausgesandte Gesamtenergie hängt von dessen Temperatur ab. Das Planck'sche Strahlungsgesetz gilt jedoch nur für ideale schwarze Körper.

Für derartige schwarze Körper (bzw. quasi schwarze Körper mit einer Emissivität ε in der Nähe von 1) können Gesamtstrahlungspyrometer oder Ein-Kanal-Pyrometer verwendet werden. Eine Kalibrierung der Pyrometer ist nicht notwendig.

Um die Temperatur eines realen Körpers zu bestimmen, muss dessen Emissivität (d.h. das Strahlungsvermögen des Körpers bekannt sein). Die Emissivität eines Körpers wird durch den Quotienten der emittierten Strahlung des Körpers und der Strahlung eines schwarzen Körpers mit derselben Temperatur definiert. Die Emissivität kann physikalisch durch einen auf die Plank'schen Strahlungsgesetze multiplikativ wirkenden Emissionsgrad beschrieben werden. Während ein idealer schwarzer Strahler den Emissionsgrad ε = 1 aufweist, ist der Emissionsgrad realer Körper kleiner als 1.

Einen Körper mit einem von der Wellenlänge unabhängigen Emissionsgrad ε = ε_const mit dε/dλ = 0 nennt man grauen Körper. Bei einem solchen erhält man bei einer Messung der Gesamtenergie der ausgesandten Strahlung bzw. der Messung der Energie eines gewissen Spektralbereichs der ausgesandten Strahlung eine niedrigere Temperatur, als dies der wahren Temperatur des Körpers entspricht.

Für solche grauen Körper können Verhältnispyrometer eingesetzt werden. Bei konstantem, von der Wellenlänge unabhängigem ε = ε_const mit dε/dλ = 0 ist das Verhältnis der Messwerte P(λ1)/P(λ2) unabhängig von ε, aber abhängig von der Objekttemperatur T.

Weiterhin ist bei den meisten Spektral- oder Einwellenlängenpyrometern die Emissivität einstellbar, um derartige Pyrometer nach Durchführung einer entsprechenden Eichung auch für die Temperaturmessung grauer Strahler verwenden zu können.

Es gibt jedoch auch Materialien, deren Emissionsgrad ε(λ) von der Wellenlänge abhängt. Die Werte von ε(λ) schwanken meist zwischen 0,05 und 0,5. Zusätzlich kann die Emissivität auch von der Oberfläche selbst abhängen.

Zusätzlich ist es bei solchen nicht-grauen, „farbigen" Körpern oftmals erforderlich, den Einfluss der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, da der Einfluss von reflektierter Strahlung aus der Umgebung nicht mehr vernachlässigt werden kann.

Um die Messfehler bei derartigen „farbigen" Strahlern zu verringern, ist es bekannt, dass die Strahlungsintensität bei zwei oder mehreren verschiedenen Wellenlängen λ gemessen wird, und diese durch eine geeignete mathematische Verknüpfung miteinander kombiniert werden. Aber auch derartige Pyrometer weisen einen nach wie vor relativ großen Messfehler auf.

Es ist auch bekannt, dass Mehrkanalpyrometer speziell auf das zu messende Material kalibriert werden. Dabei wird zunächst in einem manuell durchzuführenden Kalibrierungsschritt an dem entsprechenden Material eine Reihe von Messpunkten aufgenommen, wobei neben der Temperatur, wie sie ohne Korrektur vom Pyrometer geliefert wird, zusätzlich die tatsächliche Temperatur des Materials, die beispielsweise durch einen Thermofühler o.ä. bestimmt werden kann, aufgenommen wird. Mit diesen Daten kann die Abhängigkeit der Emissivität von der Wellenlänge ε(λ) bestimmt werden, aus der wiederum die Umkehrfunktion f^–1 bestimmt werden kann. Mit dieser Umkehrfunktion f^–1 kann, basierend auf den Rohwerten des Pyrometers, eine korrigierte Temperatur berechnet und ausgegeben werden.

Nachteilig bei diesen Geräten ist, dass zunächst ein sehr hoher Kalibrierungssaufwand erforderlich ist.

Weiterhin werden aufgrund der statischen Korrekturfunktion f^–1 zeitliche Veränderungen der Emissivität ε(λ,t) nicht erfasst. Solche Veränderungen der Emissionscharakteristik können beispielsweise durch eine Alterung der Oberfläche hervorgerufen werden. Auch ist es beispielsweise beim Strangpressen möglich, dass sich aufgrund einer Erwärmung der Strangpresse im Betrieb, welche typischerweise im Laufe mehrerer Stunden erfolgt, die Umgebungsstrahlung verändert, was wiederum einen Einfluss auf die Messwerte der Pyrometer, und damit auf die Messgenauigkeit der Temperaturmessung hat.

Um derartige Probleme zu umgehen, wurde teilweise vorgeschlagen, hochreflektierende Körper, wie beispielsweise metallisches Pressgut, vor dem eigentlichen Strang- oder Fließpressen durch eine partielle Beaufschlagung mit einer Rußschicht einzuschwärzen, und die vom Pressgut an den eingerußten Flächen emittierte Infrarotstrahlung zu messen. Diese von den eingerußten Flächen ausgehende Strahlung ent spricht näherungsweise der Strahlung, wie sie von einem schwarzen Körper ausgestrahlt wird.

Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund des relativ aufwändigen Einfärbens des Messobjektes mit Ruß und der Notwendigkeit der anschließenden Entfernung des Rußes nach der Messung und vor der Weiterverarbeitung des Messobjektes problematisch.

In Kenntnis des vorgenannten Standes der Technik hat es sich der Erfinder zur Aufgabe gemacht, eine Temperaturmessvorrichtung zum kontaktlosen Messen der Temperatur von Gegenständen dahingehend weiterzubilden, dass sie die dem Stand der Technik innewohnenden Probleme im Wesentlichen beseitigt oder zumindest mindert. Insbesondere hat es sich der Erfinder zur Aufgabe gemacht, eine Temperaturmessvorrichtung vorzuschlagen, die möglichst ohne vorherige Kalibrierung für möglichst viele unterschiedliche Materialien verwendbar ist und die dennoch auf möglichst einfache Weise möglichst genaue Messwerte liefert. Vorzugsweise sollen auch Veränderungen der Hintergrundstrahlung kompensiert werden. Ebenso hat es sich der Erfinder zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zum Betrieb einer kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung vorzuschlagen, das ähnliche Vorteile aufweist. Schließlich hat es sich der Erfinder zur Aufgabe gemacht, vorteilhafte Verwendungen des genannten Verfahrens bzw. der genannten Vorrichtung vorzuschlagen.

Zur Lösung der Aufgabe führt die Lehre der unabhängigen Ansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar sein.

Es wird vorgeschlagen, eine Temperaturmessvorrichtung zum kontaktlosen Messen der Temperatur von Gegenständen, mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung, insbesondere einer optischen Sensoreinrichtung, dahingehend weiterzubilden, dass wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung zur Kalibrierung der kontaktlosen Sensoreinrichtungen) vorgesehen wird, wobei die selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung zumindest eine Referenzsensoreinrichtung aufweist, welche gegenüber zumindest einer der kontaktlosen Sensoreinrichtungen auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruht. Die eigentliche Temperaturmessung kann also ähnlich wie bei einem konventionellen Pyrometer mit einer optischen Sensoreinrichtung erfolgen, die beispielsweise im infraroten Spektrum einen oder mehrere Messwerte aufnimmt. Der Hauptmesssensor kann somit die bekannten Vorteile von kontaktlosen Sensoreinrichtungen aufweisen, wie beispielsweise eine schnelle, berührungslose und verschleißfreie Messung auf. Im Unterschied zu bekannten Messgeräten erfolgt jedoch eine Kalibrierung der kontaktlosen Sensoreinrichtung(en) durch eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung, so dass die von der Temperaturmessvorrichtung ausgegebenen (korrigierten) Messwerte den tatsächlichen Temperaturen der gemessenen Gegenstände weitgehend entsprechen können. Die selbsttätige Kalibrierung erfolgt vorzugsweise derart, dass möglichst viele, besonders vorzugsweise im Wesentlichen sämtliche Fehlerquellen ausgeglichen werden, vor allem solche, die einen großen Einfluss haben. Beispielsweise kann unter anderem eine Oberflächenalterung des zu messenden Gegenstands, eine Veränderung der Materialkomposition oder eine Veränderung der Hintergrundstrahlung berücksichtigt werden. Die selbsttätige Kalibrierung kann dabei fortdauernd erfolgen, beispielsweise im Wesentlichen kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen. Ebenso ist es denkbar, dass eine selbsttätige Kalibrierung nur nach einer manuellen Anforderung durchgeführt wird, wobei es insbesondere denkbar ist, dass die Referenzsensoreinrichtung (beispielsweise ein Thermoelement) von Hand an den zu messenden Gegenstand geführt wird. Insbeson dere wenn die Referensensoreinrichtung von Hand geführt wird, kann beispielsweise ein Kalibrationsknopf unmittelbar an dem Gehäuse der Referenzsensoreinrichtung angebracht werden, so dass der der Referenzsensoreinrichtung führende Benutzer die Kalibrierung besonders leicht durchführen kann.

Die für die selbsttätige Kalibrierung erforderlichen Referenzmesswerte werden der Kalibrierungsvorrichtung von zumindest einer Referenzsensoreinrichtung zur Verfügung gestellt. Die Referenzsensoreinrichtung beruht zumindest gegenüber einer der kontaktlosen Sensoreinrichtungen auf einem unterschiedlichen Messprinzip. Sinnvoll ist es dabei, wenn das unterschiedliche Messprinzip eine geringere Empfindlichkeit gegenüber potentiellen Fehlerquellen aufweist, auf andere Einflussgrößen empfindlich reagiert, bzw. auf potentielle Fehlerquellen in unterschiedlichem Ausmaß empfindlich reagiert. Durch eine geeignete Verknüpfung des Hauptmesswerts/der Hauptmesswerte und des Referenzmesswerts/der Referenzmesswerte können die einzelnen Fehlerquellen zumindest zum Teil aus den Messwerten eliminiert werden, so dass von der Temperaturmessvorrichtung ein Temperaturwert ausgegeben wird, der einen geringeren Fehler aufweist.

Die Referenzsensoreinrichtung kann gegebenenfalls auf einem Messprinzip beruhen, welches langsamer arbeitet, einem Verschleiß unterliegt, den zu messenden Körper nachteilig beeinflusst usw. Dies ist möglich, da die Referenzsensoreinrichtung nicht kontinuierlich Messwerte liefern muss, sondern beispielsweise nur in festgelegten Intervallen. Dabei ist vorzugsweise ein möglichst guter Kompromiss zwischen möglichst guter Kalibrierung einerseits und möglichst geringem Referenzmessaufwand andererseits zu suchen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass beispielsweise die Zeitintervalle zwischen zwei Referenzmessungen unterschiedlich groß gewählt werden. Zum Beispiel können diese nach einem erstmaligen Einschalten des Gerätes dichter beieinan der liegen, oder können näher beieinanderliegend gewählt werden, wenn die erforderliche Nachführung der Kalibrierung zwischen zwei Kalibrierungsschritten relativ groß ist. Im Extremfall ist es denkbar, dass die selbsttätige Kalibrierung beispielsweise nach einer gewissen Zeitdauer oder nach dem Erreichen einer gewissen Güte der Korrekturfunktion eine Referenzmessung nur noch extrem selten, oder gar nicht mehr erfolgt. Auch ist es möglich, die Zeitintervalle in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit zu wählen.

Wenn die kontaktlose Sensoreinrichtung als Pyrometereinrichtung, insbesondere als Verhältnispyrometereinrichtung und/oder als Mehrwellenlängenpyrometereinrichtung ausgebildet ist, kann auf kommerziell erhältliche Standardkomponenten zurückgegriffen werden, was beispielsweise hinsichtlich der Kosten des Gerätes von Vorteil sein kann. Weiterhin kann auf gegebenenfalls in den Pyrometern vorhandene Kompensationsverfahren (beispielsweise bei Mehrwellenlängenpyrometern und Verhältnispyrometern) zurückgegriffen werden, so dass der Aufwand für die selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung geringer ausfallen kann oder aber auch ein genauerer Messwert erzielt werden kann.

Von Vorteil ist es, wenn wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung wenigstens eine speicherprogrammierbare Steuerung aufweist. Mit solchen in der Regel computerbasierten Steuerungen können auch relativ komplexe mathematische Modelle zur Kalibrierung der kontaktlosen Sensoreinrichtungen verwendet werden, ohne dass dies die Kosten unnötig in die Höhe treibt. Aufgrund der Programmsteuerung ist es auch möglich, durch entsprechend angepasste Programme eine Optimierung für bestimmte Aufgabenzwecke durchzuführen. Auch ist das Einspielen eines verbesserten oder angepassten Kalibrierungsprogramms mittels eines „update" besonders einfach möglich.

Wenn wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Kalibrierungsdaten aufweist, ist es beispielsweise möglich, dass Kalibrierungsdaten zwischengespeichert werden, und so beispielsweise nach einem erneuten Einschalten des Gerätes auf eine vorherige Kalibrierung zurückgegriffen werden kann, so dass das Einschwingen der Temperaturmessvorrichtung besonders schnell erfolgen kann. Auch kann die Speichervorrichtung beispielsweise in einem Auslieferungszustand der Temperaturmessvorrichtung mit gewissen Standardwerten gefüttert werden. Dabei ist es auch denkbar, dass beispielsweise Standartwerte für verschiedene in industriellen Prozessen üblicherweise verwendete Materialien wie Metalle bzw. Metalllegierungen eingespeist sind, wobei der Anwender einen ihn geeignet erscheinenden Datensatz als Startwert auswählen kann. So kann der Anwender beispielsweise bei einem Einsatz der Temperaturmessvorrichtung bei einer Aluminiumstrangpresse als Material Aluminium bzw. eine passende Aluminiumlegierung auswählen, so dass als Startwert ein relativ gut angenäherter Datensatz vorliegt, von dem ausgehend die selbsttätige Kalibrierung erfolgt. Diese erfolt dann üblicherweise relativ schnell, so dass u. a. ein verringerter Ausschuss erzielt werden kann.

Möglich ist es, dass wenigstens eine Referenzsensorvorrichtung als kontaktbehaftete Sensoreinrichtung ausgebildet ist. Kontaktbehaftete Messverfahren sind in der Regel vom Aufbau her besonders einfach zu realisieren. Darüber hinaus beruhen sie auf einem völlig unterschiedlichen Messprinzip als berührungsfreie Sensoren. Insbesondere weisen kontaktbehaftete Messverfahren in der Regel keinen bzw. einen verringerten Einfluss von der Oberfläche, insbesondere von den optischen Eigenschaften der Oberfläche des zu messenden Körpers auf. Dadurch unterscheiden sich die auftretenden (potentiellen) Messfehler sehr stark voneinander, so dass eine weitgehende Kompensation der (potentiellen) Messfehler erfolgen kann.

Insbesondere ist es möglich, dass wenigstens eine kontaktbehaftete Referenzsensoreinrichtung als Thermoelement ausgebildet ist. Thermoelemente sind Standardbauteile und liefern in einer relativ kurzen Zeit einen recht präzisen Messwert. Die Messung kann durch einfaches Aufsetzen des Thermofühlers auf die Oberfläche des zu messenden Körpers erfolgen, so dass die Messung für den zu messenden Körper relativ schonend ausgeführt werden kann. Zudem liegt das Messergebnis bei Thermoelementen in Form elektrischer Signale vor, so dass das Messergebnis beispielsweise von einer speicherprogrammierbaren Steuerung besonders einfach weiter verarbeitet werden kann.

Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn zumindest eine kontaktlose Sensoreinrichtung, zumindest eine Referenzsensoreinrichtung, oder eine Mehrzahl von diesen in zumindest einer Richtung, vorzugsweise in zumindest zwei Richtungen beweglich, insbesondere verschiebbar und/oder drehbar gelagert sind. Durch eine derartige Ausbildung kann es ermöglicht werden, dass beispielsweise bei einem sich bewegenden zu messenden Körper (wie dies beispielsweise bei Strangpressverfahren der Fall ist) der zu messende Bereich der Oberfläche über einen gewissen Zeitraum hinweg der gleich sein kann. Dies kann insbesondere bei einem kontaktbehafteten Messverfahren von großem Vorteil sein, da dadurch ein Verkratzen der Oberfläche des zu vermessenden Körpers vermieden werden kann. Wenn sowohl die kontaktlose Sensoreinrichtung als auch die Referenzsensoreinrichtung beweglich gelagert sind, können beide über einen längeren Zeitraum hinweg den selben Bereich der Oberfläche des zu messenden Körpers messen. Die Bewegung kann alternativ zur genannten Vorschubrichtung oder auch zusätzlich dazu in einer dazu beispielsweise senkrecht stehenden Richtung erfolgen. Wenn die kontaktlose Sensoreinrichtung und/oder die Referenzsensoreinrichtung in einer solchen senkrecht zur Extrusionsrichtung stehenden Richtung verschwenkt werden kann, so kann eine Temperaturmessung über die Profilbreite des extrudierten Körpers hinweg erfolgen. Dadurch können bei spielsweise Temperatur- oder auch Oberflächenunterschiede zum Rand des extrudierten Profils hin erfasst werden. Die Kalibrierung kann bei dem beispielhaft erwähnten Strangpressverfahren beispielsweise nur längs eines Profilbereichs erfolgen (z.B. wenn die Referenzsensoreinrichtung nicht senkrecht zur Extrusionsrichtung beweglich ist), oder aber auch entlang einer Mehrzahl von Profilbereichen des extrudierten Profils. Im letzteren Fall können insbesondere auch unterschiedliche Oberflächen, die aufgrund von Extrusionseffekten entstehen können, bei der Kalibrierung berücksichtigt werden. In jedem Fall kann eine besonders gute Kalibrierung ermöglicht werden, insbesondere wenn diese miteinander kombiniert werden, da sich eventuell im zu messenden Körper vorhandene lokale Temperaturschwankungen nicht nachteilig auf das Messergebnis auswirken müssen. Die bewegliche Lagerung kann beispielsweise durch Schrittmotoren, welche eine Schwenkbewegung bzw. eine Längsbewegung des jeweiligen Sensors bewirken, realisiert werden. Mit derartigen Schrittmotoren ist auch eine gezielte Ansteuerung besonders einfach möglich. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass in Abhängigkeit von der Lage des von der kontaktlosen Sensoreinrichtung gemessenen Bereichs auf dem Profil (beispielsweise bei einem Strangpressverfahren in Abhängigkeit davon, ob der Bereich in der Mitte des extrudierten Profils, oder an seiner Seite liegt) eine unterschiedliche Kalibrierungsfunktion f^–1 zur Kalibrierung der Messdaten verwendet werden kann.

Von Vorteil ist es auch, wenn wenigstens eine optische Kontrollvorrichtung zur Kontrolle der Übereinstimmung von Messwerten vorgesehen ist. Beispielsweise kann an einer kontaktlosen Sensorvorrichtung ein Laserpointer als Justierhilfe derart angebracht werden, dass der Lichtfleck den Bereich des zu messenden Körpers, in dem die kontaktlose Sensorvorrichtung den Messwert aufnimmt, markiert. Befindet sich beispielsweise der Lichtfleck in der Nähe des Oberflächenbereichs, in dem die Referenzsensoreinrichtung (z. B. ein Thermoelement) die Messung vornimmt, so kann si chergestellt werden, dass die jeweiligen Messwerte vom gleichen Oberflächenbereich des Körpers stammen. Selbstverständlich sollte darauf geachtet werden, dass das von der optischen Kontrollvorrichtung evtl. ausgesandte Licht die Messung nicht nachteilig beeinflusst.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betrieb einer kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung, wie insbesondere einer Pyrometereinrichtung, erfolgt eine selbsttätige Kalibrierung wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung. Auch hier kann durch die selbsttätige Kalibrierung ein besonders guter Messwert, der eine möglichst große Anzahl an Fehlerquellen kompensiert, bzw. deren Einfluss vermindert, zur Verfügung gestellt werden, ohne dass eine aufwändige, vorherige manuelle Kalibrierung erforderlich wäre.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die selbsttätige Kalibrierung im Wesentlichen kontinuierlich und/oder in definierten Intervallen erfolgt.

Die selbsttätige Kalibrierung beruht vorzugsweise auf wenigstens einer Referenzmessung, die auf einem anderen Messprinzip beruht wie dem, auf dem zumindest einer der kontaktlosen Sensoreinrichtungen beruht.

Vorzugsweise erfolgt wenigstens- eine Referenzmessung in Form einer kontaktbehafteten Messung, insbesondere mittels eines Thermoelements.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ort der Temperaturmessung, insbesondere der Ort der kontaktbehafteten Temperaturmessung, zumindest zeitweise in einem gleichbleibenden Gebiet des zu messenden Körpers erfolgt und/oder unterschiedliche Oberflächenbereiche des zu messenden Körpers erfasst werden. Als "unterschiedliche Oberflächenbereiche" in diesem Sinn sind insbesondere solche Oberflächenbereiche zu verstehen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Lage und/oder Ausbildung üblicherweise unterschiedliche Messwerte liefern können. Beispielsweise können bei einem Strangpressverfahren mittlere Bereiche und seitliche Bereiche des extrudierten Profils als "unterschiedliche Oberflächenbereiche" in diesem Sinne aufgefasst werden.

Das vorgeschlagene Verfahren, sowie die Weiterbildungen desselben weisen die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen Eigenschaften und Vorteile in analoger Weise auf.

Weiterhin wird die Verwendung einer sich selbsttätig kalibrierenden kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung zur Messung der Temperatur von Gegenständen und/oder Materialien mit einem wellenlängenabhängigen Emissionsverhalten und/oder einem kleinen Emissionsgrad vorgeschlagen. Insbesondere eignet sich eine Temperaturmessvorrichtung der oben beschriebenen Art für diese Verwendung. Als niedriger Emissionsgrad ist insbesondere eine Emissivität von ε < x anzusehen, wobei x beispielsweise die Zahlenwerte 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 oder 0,5 einnehmen kann. Gerade bei derartigen Materialien liefern bekannte Temperaturmessvorrichtungen nur relativ schlechte Messwerte. Die vorgeschlagene Temperaturmessvorrichtung kann hier ihre systemspezifischen Vorteile besonders gut zur Geltung bringen.

Besonders vorteilhaft wird die sich selbsttätig kalibrierende kontaktlose Temperaturmessvorrichtung, insbesondere die oben vorgeschlagene sich selbsttätig kalibrierende Temperaturmessvorrichtung für die Messung metallischer Materialien, wie insbesondere Aluminium, Kupfer oder Gold, sowie Legierungen enthaltend zumindest eines dieser Metalle, verwendet. Metalle weisen üblicherweise eine sehr geringe Emissivität, sowie eine stark „farbige" Emissionscharakteristik ε(λ) auf. Somit kann auch hier die sich selbsttätig kalibrierende kontaktlose Temperaturmessvorrichtung besonders vorteilhaft eingesetzt werden.

Ebenso ist es von Vorteil, wenn eine sich selbsttätig kalibrierende kontaktlose Temperaturmessvorrichtung, insbesondere der vorgenannten Art, für die Temperaturmessung bei Umformungsverfahren, wie insbesondere bei Strangpressverfahren verwendet wird. Bei diesen Verfahren ist zur Vermeidung von Produkten verminderter Qualität, sowie zur Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit in der Regel eine möglichst genaue Temperaturmessung besonders wichtig. Darüber hinaus kann die vorgeschlagene Vorrichtung besonders vorteilhaft eingesetzt werden, da sich z. B. bei Strangpressverfahren die zu messenden Körper in der Regel bewegen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1: eine schematische Ansicht des Regelsystems einer Temperaturmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2: eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Temperaturmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3: die in 2 dargestellte Temperaturmessvorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten in vereinfachter Darstellung.
In 1 ist der schematische Aufbau eines Regelsystems 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, der das Grundprinzip der vorgeschlagenen selbsttätigen Kalibrierung erläutert.
Als kontaktloser Sensor zur Temperaturmessung, der den kontinuierlichen Anteil der Temperaturmessung übernimmt, und dessen Messwerte zu kompensieren sind, dient eine an sich bekannte Infrarotkamera 10. Diese Infrarotkamera 10 weist ein Objektiv 12 auf, das einen bestimmten Bereich der Oberfläche des zu messenden Körpers 16 abbildet. Die Infrarotkamera 10 misst im vorliegenden Beispiel einen oder mehrere Wellenlängenbereiche der Infrarotstrahlung 14, die vom zu messenden Körper 16 ausgeht. Die von der Infrarotkamera 10 aufgenommenen unkalibrierten Temperaturwerte 18 gelangen über eine entsprechende Datenleitung an ein Auswertesystem 20, das unter anderem die Kalibrierungslogik aufweist.
Zusätzlich zur Infrarotkamera 10 ist ein auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruhender Referenzsensor, im vorliegenden Beispiel ein Thermoelement 22 vorgesehen, das im Wesentlichen den gleichen Oberflächenbereich des zu messenden Körpers 16 misst. Die Messbereiche der Infrarotkamera 10 und des Thermoelements 22 sind derartig aufeinander angepasst, dass die Messungen nicht gegenseitig behindert werden.
Die vom Thermoelement 22 ermittelten Referenztemperaturwerte 24 werden ebenfalls über eine entsprechende Datenleitung an das Auswertesystem 20 übermittelt. Das Auswertesystem 20 vergleicht die kontinuierlich eingehenden unkalibrierten Temperaturwerte 18 mit den beispielsweise intervallartig eintreffenden Referenztemperaturwerten 24 und ermittelt aus beiden Messwerten eine Kompensationsfunktion für die von der Infrarotkamera 10 kommenden unkalibrierten Temperaturwerte 18. Die mit Hilfe der Kompensationsfunktion kalibrierten Temperaturwerte 26 werden über Datenleitungen an eine Schnittstelle 28 gesandt, von der diese ausgelesen werden können. Bei der Schnittstelle 28 kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle 28 für eine Person in Form eines Anzeigegeräts, oder aber auch (ggf. parallel dazu) um eine bekannte Computerschnittstelle wie z. B. RS232, V24, USB usw. handeln, so dass die an der Schnittstelle 28 bereitgestellten kalibrierten Temperaturwerte 26 besonders einfach von einem Computer eingelesen werden können. Zusätzlich ist es möglich, dass das Auswertesystem 20 über eine Steuerleitung Steuersignale 30, beispielsweise an eine verstellbare Halterung des Thermoelements 22 sendet. Im vorliegenden Beispiel wird das zeitliche Intervall zwischen zwei Referenzmessungen verkleinert, wenn zwischen zwei aufeinanderfolgenden Referenzmessungen des Thermoelements 22 eine größere Drift der Kompensationsfunktion festgestellt wird. Durch die Verringerung des Zeitintervalls kann der Fehler der kalibrierten Temperaturwerte 26 verringert werden, insbesondere für die zeitlich unmittelbar vor der nächsten Referenzmessung liegenden Temperaturwerte.
Umgekehrt ist es selbstverständlich ebenso möglich, dass die Zeiterintervalle zwischen zwei Referenzmessungen vergrößert werden, wenn die Drift der Kompensationsfunktion nur gering ist.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem, ähnlich wie in 1, die kontaktlose Sensoreinrichtung in Form einer Infrarotkamera 10 und die Referenzsensoreinrichtung in Form eines Thermoelements 22 ausgebildet ist. Sowohl Infrarotkamera 10 als auch Thermoelement 22 sind im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel beweglich angeordnet, und können durch Schrittmotoren 32, 33 beispielsweise vom Auswertesystem 20 oder einer sonstigen Steuerlogik gezielt bewegt werden.
Bei dem zu messenden Körper handelt es sich im vorliegenden Beispiel um ein Strangpressprofil 34, von dem in 2 ein Abschnitt dargestellt ist. Wie durch den mit x bezeichneten Pfeil angedeutet wird, bewegt sich das Strangpressprofil 34 in diese Richtung.
Durch den in 2 dargestellten Messaufbau, bestehend aus Infrarotkamera 10 und Thermoelement 22 soll ein Bereich L auf der Oberseite 35 des Strangpressprofils 34 gemessen werden. Aufgrund der Bewegung des Strangpressprofils 34 in die Pfeilrichtung von x verschiebt sich der zu messende Oberflächenbereich L des Strangpressprofils 34 in gleichem Maße. Um diese Bewegung auszugleichen, ist das Thermoelement 22 auf einem Linearantrieb 36 montiert, so dass das Thermoelement 22 mit Hilfe des Schrittmotors 33 in die durch den Doppelpfeil a angedeutete Längsrichtung verschoben werden kann. Zusätzlich kann das Thermoelement 22 durch einen vorliegend nicht näher dargestellten Stellmotor mit der Oberfläche 35 des Strangpressprofils 36 in Kontakt gebracht werden, bzw. von diesem abgehoben werden.
Die Infrarotkamera 10 ist im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel drehbar befestigt, und kann durch einen weiteren Schrittmotor 32 in die durch den Doppelpfeil b angedeutete Schwenkrichtung verschwenkt werden. Der sich in unterschiedlichen Stellwinkeln ergebende unterschiedliche Abstand zwischen Infrarotkamera 10 und dem sich in Pfeilrichtung x fortbewegenden und zu messenden Oberflächenbereich L des Strangpressprofils 34 kann durch eine gesteuerte Nachjustierung des Objektivs 12 ausgeglichen werden. Auch der Öffnungswinkel des Objektivs 12 kann angepasst werden.
Auch wenn dies in der Figur nicht näher dargestellt ist, können die Infrarotkamera 10 und das Thermoelement 22 zusätzlich in einer senkrecht zur Extrusionsrichtung x stehenden Richtung t bewegt werden. Dadurch können unterschiedliche Temperaturen und Oberflächencharakteristika entlang der senkrecht zur Extrusionsrichtung x verlaufenden Richtung t bei der Kompensation mit berücksichtigt werden. Die Korrekturfunktion hängt somit nicht nur von der emittierten Strahlung des Strangpressprofils 34 ab, sondern ebenso vom geometrischen Ort t.
In 3 ist das in 2 dargestellte Messsystem 38 zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt, wobei die Antriebselemente aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind.
3a zeigt den Normalzustand des Messsystems 38. Eine Temperaturmessung erfolgt kontinuierlich mit Hilfe der Infrarotkamera 10, die sich in einer Neutralposition befindet. Das Thermoelement 22 befindet sich in einer zurückgezogenen Normalstellung, in der dieses die Oberfläche 35 des Strangpressprofils 34 nicht berührt. In einem eingependelten Zustand des Messsystems 38 befindet sich dieses während der meisten Zeit in der in 3a dargestellten Normalstellung.
Nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls wird ein Referenzmesszyklus initiiert. Die Situation am Anfang des Referenzmesszyklus ist in 3b veranschaulicht. Das Thermoelement 22 wird in Richtung y₁ nach unten gefahren und kontaktiert die Oberfläche 35 des Strangpressprofils 34. Um einen Messwert liefern zu können, benötigt das Thermoelement 22 eine bestimmte Einstellzeitdauer von typischerweise einigen Sekunden. Während dieser Zeit wird, wie in 3b veranschaulicht, das Thermoelement 22 synchron zum Strangpressprofil 34 in Richtung x bewegt. Damit die vom Thermoelement 22 und von der Infrarotkamera 10 jeweils gemessenen Oberflächenbereiche L des Strangpressprofils 34 im Wesentlichen übereinstimmen, wird die Infrarotkamera 10 synchron zur Fortbewegung x des Strangpressprofils 34 verschwenkt, was durch den Pfeil z₁ angedeutet ist.
Wenn der Temperaturreferenzwert mit Hilfe des Thermoelements 22 ermittelt ist, wird, wie in 3c angedeutet, das Thermoelement 22 in Richtung y₂ von der Oberfläche 35 des Strangpressprofils 34 abgehoben. Anschließend fährt das Thermoelement 22 entgegengesetzt zur Fortbewegungsrichtung x des Strangpressprofils 34 in Richtung y₃ zur in 3a dargestellten Neutralstellung zurück. Auch die Infrarotkamera 10 wird in ihre Neutralstellung gemäß 3a zurückbewegt, was durch den Pfeil z₂ angedeutet ist. Dabei ist es möglich, dass die Rückstellbewegung z₂ der Infrarotkamera 10 besonders langsam verläuft, so dass die Infrarotkamera 10 genügend Zeit hat, während ihrer Rückstellbewegung z₂ ständig Temperaturmesswerte der Oberfläche 35 des Strangpressprofils 34 zu ermitteln.

Claims

Temperaturmessvorrichtung (11, 38) zum kontaktlosen Messen der Temperatur von Gegenständen (16, 34), mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung (10), insbesondere einer optischen Sensoreinrichtung, gekennzeichnet durch wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung (20) zur Kalibrierung der kontaktlosen Sensoreinrichtung(en) (10), wobei die selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung zumindest eine Referenzsensoreinrichtung (22) aufweist, welche gegenüber zumindest einer der kontaktlosen Sensoreinrichtungen (10) auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruht.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest eine kontaktlose Sensoreinrichtung als Pyrometereinrichtung (10), insbesondere als Verhältnispyrometereinrichtung und/oder als Mehrwellenlängenpyrometereinrichtung ausgebildet ist.
Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung (20) wenigstens eine speicherprogrammierbare Steuerung aufweist.
Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine selbsttätige Kalibrierungsvorrichtung (20) eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Kalibrierungsdaten aufweist.
Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Referenzsensorvorrichtung als kontaktbehaftete Sensorvorrichtung (22) ausgebildet ist.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine kontaktbehaftete Referenzsensoreinrichtung als Thermoelement (22) ausgebildet ist.
Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine kontaktlose Sensoreinrichtung (10) und/oder zumindest eine Referenzsensoreinrichtung (22) in zumindest einer Richtung, vorzugsweise in zumindest zwei Richtungen beweglich, insbesondere verschiebbar (a) und/oder drehbar (b) gelagert sind.
Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens eine optische Kontrollvorrichtung zur Kontrolle der Übereinstimmung von Messorten.
Verfahren zum Betrieb einer kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung (11, 38) mit wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung (10), wie insbesondere einer Pyrometereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine selbsttätige Kalibrierung (20) wenigstens einer kontaktlosen Sensoreinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die selbsttätige Kalibrierung im Wesentlichen kontinuierlich und/oder in definierten Intervallen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die selbsttätige Kalibrierung auf wenigstens einer Referenzmessung (22) beruht, die auf einem anderen Messprinzip wie dem zumindest einer der kontaktlosen Sensoreinrichtung (10) beruht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Referenzmessung in Form einer kontaktbehafteten Messung, insbesondere durch ein Thermoelement (22), erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort (L) der Temperaturmessung (22), insbesondere der Ort (L) der kontaktbehafteten Temperaturmessung, zumindest zeitweise in einem gleichbleibenden Gebiet des zu messenden Körpers (34) erfolgt und/oder unterschiedliche Oberflächenbereiche des zu messenden Körpers (34) erfasst werden.
Verwendung einer sich selbsttätig kalibrierenden kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung, insbesondere einer Temperaturmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Messung der Temperatur von Gegenständen und/oder Materialien mit einem wellenlängenabhängigen Emissionsverhalten und/oder einem kleinen Emissionsgrad.
Verwendung gemäß Anspruch 14 zur Messung der Temperatur von metallischen Materialien, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Gold, sowie Legierungen enthaltend zumindest eines dieser Metalle.
Verwendung einer sich selbsttätig kalibrierenden kontaktlosen Temperaturmessvorrichtung, insbesondere zusätzlich zu einer Verwendung gemäß Anspruch 14 oder 15, für die Temperaturmessung bei Umformungsverfahren wie insbesondere Strangpressverfahren.