DE1423940B1 - Pyrometer - Google Patents

Description

• In F i g. 1 ist ein Strahlungspyrometer gezeigt, wobei ein Teil der von einem Meßobjekt 10 unbekannter Temperatur ausgehenden Strahlung von der Objektivlinse 12 aufgefangen und zur Fokussierung in eine Ebene gebracht wird, die einen Heizdraht 14 einer Vergleichsquelle 16 enthält. Die Anordnung des Wolframheizdrahtes 14 und des Bildes des Meßobjektes 10 ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Anordnung bildet das Objekt für eine sekundäre Linse 18, die ein stark vergrößertes Bild des Heizdrahtes 14 und des Meßobjektes 10 auf der Vorderfläche 20 eines elektromagnetischen Strahlungsmodulators 22 erzeugt. Dieser Modulator22 besteht aus einer Blendenplatte24 und einer längsschwingenden Abdeckvorrichtung 26. Die Platte 24 besteht aus opakem Material und enthält eine kleine rechteckige primäre Öffnung 28, über welcher die Abdeckvorrichtung 26 angenähert zentrisch angeordnet ist. Somit werden zwei kleinere sekundäre Öffnungen 30 und 32 annähernd gleicher Größe (F i g. 3) gebildet. Der Strahlungsmodulator22 ist so angeordnet, daß das vergrößerte Bild des Wolframheizdrahtes 14 vollständig die obere Öffnung 3U bedeckt, während das Bild des Meßobjektes 10 in gleicher Weise die untere Öffnung 32 bedeckt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Infolgedessen ist die an dem Detektor 34 ankommende Strahlung die Summe der Strahlung der Normallampel6, welche durch die obere Öffnung30 verläuft, und der Strahlung des Meßobjektes 10, die durch die untere Öffnung 32 verläuft. Wenn das Gerät arbeitet, wird die Abdeckvorrichtung26 veranlaßt, längs mit einer bestimmten Frequenz mittels eines elektromagnetischen Drehspulenantriebs 36 zu schwingen, der von einem sinusförmigen Wechselstrom über die Leitungen 42 a erregt wird. Durch das Schwingen wird eine abwechselnde Zu- und Abnahme des Flächenbereichs jeder Öffnung verursacht, wobei die Abnahme des Flächenbereichs für eine Öffnung gleich der Zunahme des Flächenbereichs der anderen Öffnung ist. Dabei erfolgt diese Anderung der Flächenbereiche gleichzeitig. Da der elektromagnetische Antrieb 36 ein linearer Energiewandler ist, ist die der Abdeckvorrichtung erteilte Schwingung im wesentlichen sinusförmig. Die entstehende Änderung des Flächenbereichs ändert proportional die Menge der durch jede Öffnung 30 und 32 verlaufenden Strahlung. Die Amplitude der Schwingung der Abdeckvorrichtung soll nicht so groß sein, daß die Gesamtfläche einer Öffnung vollständig abgedeckt wird, da sonst die sinusförmige Änderung der übertragenen Strahlung verzerrt werden würde.
• Da die Flächenzunahme einer Öffnung genau gleich der Flächenabnahme der anderen Öffnung ist, folgt, daß der Detektor 34 keine Änderung der Gesamtfläche und infolgedessen der auftreffenden Energie erfährt, wenn die Öffnungen Strahlung gleicher Intensität unterworfen sind. Unter diesen Bedingungen ist der Wechselstromausgang des Detektors 34 Null. Wenn die abgegebene Strahlung des Meßobjektes 10 und der Vergleichsquelle 14 ungleich ist, tritt eine sinusförmige Wechselspannung an dem Ausgang des Detektors 34 auf. Die Amplitude dieser Spannung ist proportional der Differenz der Strahlungsenergie der beiden Strahlungsquellen und hat entweder die Phasenbeziehung 0° oder 1800' zu der Erregungsspannung des elektromagnetischen Antriebs 36, und zwar in Abhängigkeit davon, welche Quelle höhere Temperatur hat.
• Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung ist eine Schaltung mit bekannten Bauelementen, mit welcher ein automatischer Betrieb erreicht werden kann. Diese Anlage umfaßt einen Wechselstromverstärker 38, einen phasenempfindlichen Gleichrichter 39 und einen Elektronenröhren- oder Transistorserienstromregler 40. Der Verstärker38 dient dazu, die schwache Ausgangsspannung des Detektors 34 vor Eingang in den phasenempfindlichen Gleichrichter 39 zu verstärken. Der Ausgang dieses Gleichrichters ist eine Gleichspannung, deren Größe und Polarität in Beziehung zu der Größe bzw. Phase seiner Eingangswechselspannung steht. Diese Funktion wird dadurch ermöglicht, daß das Phasenbezugssignal des Gleichrichters 39 eine konstante Phasenbeziehung zu der Erregungsspannung des elektromagnetischen Antriebs 36 ist. Bei automatischem Betrieb wird dieses Gleichstromsignal dem Stromregler 40 zugeführt, der den Strom (und damit die Strahlungsintensität) des Heizdrahtes 14 von der Quelle 41 so lange verstellt, bis der Zustand Null erreicht ist (d. h. der Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters ist effektiv Null). Die Temperatur wird dann mittels des auf Temperatur geeichten Amperemeters 42 bestimmt. Bei Handbetrieb wird der Stromregler 40 von einem Schalter 44 überbrückt. Der Rheostat 45 wird dann von Hand verstellt, bis Temperaturausgleich unter Beobachtung des Nullanzeigers 46 erreicht ist, dessen Nullstellung sich in der Mitte befindet. Eine andere selbst abgleichende Anordnung ist in F i g. 4 gezeigt. Dort ist ein Servoverstärker 50, ein Zweiphasenservomotor 52 und ein veränderbarer Widerstand 53 vorgesehen. Diese Anordnung ist stabiler, da das an dem Detektorausgang auftretende Abweichsignal direkt in eine Korrekturfunktion (Einstellung des Stroms der Vergleichsquelle 16) umgesetzt wird.
• Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, haben die Erregungsspannung 55 des elektromagnetischen Antriebsorgans 36 und die Spannung, die an die Bezugswicklung 56 des Zweiphasenservomotors 52 angelegt ist, eine gemeinsame Quelle 57 und somit keine Phasendifferenz. Daher wird die Richtung der Umlaufbewegung des Servomotors von der Phase der an dem D etektorausgang auftretenden Spannung bestimmt. Die Richtung der Umlaufbewegung ist immer derart, daß die Strahlungsintensität der Vergleichsquelle 16 und des Meßobjektes 10 ausgeglichen wird.
• Die Temperatur wird durch Beobachtung des auf Temperatur geeichten Meßinstrumentes 58 bestimmt.
• In F i g. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Strahlungsmodulators 22 gemäß Erfindung gezeigt, die aus einer Platte 24, die eine Ebene mit einer Blende 28 definiert, und einer Abdeckvorrichtung 26 besteht. Die Abdeckvorrichtung 26 wird von einem Drahtbügel 27 getragen, der mit einem Stab 29 verbunden ist. Der Stab 29 wird in seiner Lage von einer Führungsplatte 31 gehalten, die an beiden Enden Führungen33 aufweist. Diese Führungen33 halten die Abdeckvorrichtung26 gegen die Oberfläche der Platte 24. Mittels Schrauben 35 ist an der Platte 24 eine Spulentragplatte 37 befestigt, deren unteres Teil 37a den elektromagnetischen Antrieb 36 trägt. Dieser Antrieb 36 ist ein Lautsprecherkern und wird bevorzugt, weil er ein linearer Energiewandler ist. Die Verschiebung des mit einer Membrane29a verbundenen Stabes 29 ist der über die Leitungen 42a angelegten Spannung direkt proportional.
• Die öffnung 28 ist von der Abdeckvorrichtung 26 in zwei Flächenbereiche geteilt. Die Gesamtflächenbereiche brauchen notwendigerweise nicht gleich zu sein, da die oben beschriebenen Detektorschaltungen von der linderung der aufgenommenen Strahlung und nicht von der absoluten Größe der Quellen abhängig sind. Jedoch müssen die Flächenbereiche, durch welche die Abdeckvorrichtung die Strahlung unterbricht, gleich sein. Um eine störende oder unbeabsichtigte Anderung in dem Ausgang des Detektors zu vermeiden, sollen die Seiten des Teils der Öffnung, über den sich die Abdeckvorrichtung bewegt, parallel sein.
• In F i g. 6 ist ein anderer Strahlungsmodulator gezeigt, der beispielsweise in der Anlage nach F i g. 1 verwendet werden kann. Hier besteht der Strahlungsmodulator 22 aus einer Platte 24, die eine Ebene mit einer Blende 28 definiert, welche in zwei, vorzugsweise gleiche Flächenbereiche durch einen Einsatz 58 geteilt ist. Die beiden so gebildeten Blendenöffnungen 59 sind in Abstand voneinander angeordnet. Die Platte 24 weist Führungen 60 auf, die einen Rahmen 61 gegen die Ebene 20 der Platte 25 halten.
• Der Rahmen 61 ist mit dem Stab 29 verbunden, der in Längsrichtung von dem elektromagnetischen Antrieb 36 bewegt wird. In dem Rahmen 6 ist ein Film 62 vorgesehen, welcher die in F i g. 7 gezeigte Lichtdurchlaßkennlinie in relativen Einheiten hat. Dieser Film 62 ist von einem Querrahmen 63 in zwei Teile geteilt. Der Querrahmen 63 wird zwischen den beiden Öffnungen 59 von dem Stab 29 bewegt und verläuft nie über einen Teil einer Öffnung 59. Das Licht von zwei unabhängigen Quellen wird jeweils an einer der Öffnungen 59 plaziert, wie oben erläutert wurde.
• Aus Fig.7 ist ersichtlich, daß die Lichtdurchlaßkennlinien jedes Films 62 gleichartig und linear sind, so daß der Teil, durch den der größte Prozentsatz des Lichtes übertragen wird, an den Querrahmen 63 angrenzt. Somit ist die Linie 65 die Kennlinie des Stückes des Films 62 an der oberen Blendenöffnung 59 und die Linie 66 die Kennlinie des Filmstückes an der unteren Blendenöffnung 59. Der Raum zwischen den Blendenöffnungen 59 kann in gewünschter Weise gewählt werden, vorausgesetzt, daß die Bewegungen des Querrahmens 63 auf der Fläche des Einsatzes 58 zwischen den Blendenöffnungen 59 beschränkt ist.
• Der Abstand zwischen den Blendenöffnungen 59 bleibt konstant und ist ein fester Abstand längs den Linien 65 und 66. Somit bewegt sich bei Bewegung des Rahmens 61 das durch die obere Blendenöffnung 59 übertragene Licht längs der Linie 65 nach unten.
• Das durch die untere Blendenöffnung 59 übertragene Licht bewegt sich längs der Linie 66 nach oben.
• Wenn die Lichtquellen, welche die Öffnungen 59 beleuchten, gleiche Stärke haben, bleibt die auf den Detektor auftreffende Gesamtstrahlung konstant. Es ist auch ersichtlich, daß die Kennlinien65 und 66 nach F i g. 7 gemäß den gestrichelt gezeichneten Linien 67 orientiert werden könnten, d. h. daß die Teile des Films 62 für geringe Strahlungsübertragung angrenzend an die Teilungslinie 63 plaziert werden.
• Der verschiebbare Film hat eine von der Teilungslinie 63 der Blendenöffnung 59 nach außen zunehmende Lichtdurchlässigkeit.
• Die oben beschriebene Ausführungsform weist einige der Vorteile der bevorzugten Ausführungsform nicht auf, da sie komplizierter ist und Material bzw. einen Film verwendet, der für Umgebungsänderungen empfindlicher ist.
• Der Strahlungsmodulator kann auch benutzt werden, um andere als elektromagnetische Strahlungsquellen zu vergleichen. Beispielsweise könnten mit der Anordnung nach der Erfindung Quellen moduliert werden, die säulenförmige, auf einen Kristalldetektor gerichtete Teilchenstrahlen haben. Eine der Quellen könnte eine Normalquelle mit einer veränderbaren, von dem Detektor geregelten Öffnung sein, wie oben beschrieben wurde.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Pyrometer mit Vergleichsstrahler und elektromechanischem Strahlungsmodulator vor einer Blende und mit einem photoelektrischen Strahlungswandler, bei dem die Stromaufnahme des Vergleichsstrahlers die Temperatur angibt, d a -durch gekennzeichnet, daß der Strahlungsmodulator eine längsschwingende Abdeckvorrichtung (26, 62) ist, die die Blende (28, 59) in zwei Öffnungen aufteilt, und daß die durch die Blende gemeinsam gehende Strahlung vom Meßobjekt (10) und Vergleichsquelle (14) allein den Anteil der Vergleichsstrahlung periodisch ändert.
2. 2. Pyrometer nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckvorrichtung ein vor der Blendenöffnung (59) verschiebbarer Film (62) mit von einer Teilungslinie (63) der Blendenöffnung (59) nach außen zunehmender Lichtdurchlässigkeit ist.

   Die Erfindung betrifft ein Pyrometer mit Vergleichsstrahler und elektromagnetischem Strahlungsmodulator vor einer Blende und mit einem photoelektrischen Strahlungswandler, bei dem die Stromaufnahme des Vergleichsstrahlers die Temperatur angibt.

   Pyrometer derartiger Ausbildung sind bekannt.

   Um das Meßergebnis derartiger Pyrometer in ein Steuersignal umzuwandeln, ist es bekannt, dem Lichtstrahl der Meßstelle einerseits und der Normlichtquelle andererseits eine photoelektrische Einrichtung aufzugeben und die dabei gemessene Frequenz der Ströme der photoelektrischen Einrichtung als Meßwert für die Intensitätsdifferenz heranzuziehen (deutsche Patentschrift 198 290). Da der dabei entstehende Gleichstrom nur schwer als Steuerimpuls herangezogen werden kann, ist es bekannt, über optisch mechanische Einrichtungen, z. B. Schwingspiel- oder Wechselblenden, abwechselnd die beiden Lichtstrahlen, Meßstrahlung und Normstrahlung, auf die photoelektrische Einrichtung aufzugeben, wobei ein Wechselstrom entsteht, dessen Frequenz im Wechsel den Lichtstrahlen und dessen Amplituden der Differenz zwischen der Intensität des Meßstrahls und des Normstrahls entspricht. Dabei ist es bekannt, in dem einen Lichtweg ein fest eingestelltes Lichtschwächungsmittel, z. B. Graukeil, Blende od. dgl., mit in der Schwingungsebene des schwingenden Signals abnehmender Lichtdurchlässigkeit anzuordnen, wobei die Intensitätsunterschiede der zu vergleichenden Lichtimpulse entsprechenden Steuerspannungen bzw. Ströme die Amplitude des schwingenden Systems bestimmende Stromkreise oder verstärkte Anordnungen im Sinne einer Verringerung des Intensitätsunterschieds beeinflussen.

   Bei all diesen bekannten Anordnungen müssen jedoch in der photoelektrischen Anordnung zwei völlig getrennte unterschiedliche Lichtintensitäten aufgenommen werden. Dadurch wird insbesondere oei Temperaturmessungen mit sehr starken Schwankungen der gemessenen Lichtintensitäten ein sehr kompliziertes, zeitlich synchronisiertes Differenzverstärkersystem erforderlich.

   Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Auf- gabe, ein Pyrometer der eingangs umrissenen Art so auszubilden, daß einfach eine einheitliche Lichtintensität mit einer den Lichtintensitätsschwankungen von Meßstrahl und Normstrahl entsprechenden Änderung auf die photoelektrische Einrichtung aufgegeben wird. Dabei erfolgt die Modulation ausschließlich in der Blende mit durch eine Abdeckvorrichtung sich umgekehrt proportional ändemden Lichtdurchgangswerten für jede Blendenöffnung.

   Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Pyrometer der eingangs umrissenen Art dadurch erreicht, daß der Strahlungsmodulator eine längsschwingende Abdeckvorrichtung ist, die die Blende in zwei Öffnungen aufteilt, und daß die durch die Blende gemeinsam gehende Strahlung vom Meßobjekt und Vergleichsquelle allein den Anteil der Vergleichsstrahlung periodisch ändert.

   Durch diesen Strahlungsmodulator wird also in der Blendenöffnung eine Lichtquelle mit entsprechend der Intensitätsdifferenz zwischen Meßstrahl und Normstrahl schwankender Gesamtlichtintensität geschaffen. Es wird dabei in einer der gewünschten Wechselstromfrequenz entsprechenden Folge jeweils die dem Normstrahl zur Verfügung stehende Blendenöffnung vergrößert und die dem Meßstrahl entsprechende Blendenöffnung verkleinert oder umgekehrt. Der wesentliche Fortschritt liegt in einer wesentlichen Vereinfachung des photoelektrischen und elektrischen Teils der Auswerteinrichtung, insbesondere bei einem Strahlungspyrometer mit sehr starker Differenz der Intensitäten von Meß- und Normstrahlen. Dabei ist die gesamte Anordnung sehr robust und gibt ein für die Verwendung als Steuerimpuls sehr günstiges Wechselstromsignal ab.

   Zweckmäßig ist das Pyrometer so ausgebildet, daß die Abdeckvorrichtung ein vor der Blendenöffnung verschiebbarer Film mit von einer Teilungslinie der Blendenöffnung nach außen zunehmender Lichtdurchlässigkeit ist.

   Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert.

   Es zeigt F i g. 1 schematisch ein Pyrometer, F i g. 2 eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1, F i g. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie 3-3 in Fig. 1, F i g. 4 ein anderes Schaltschema für das Pyrometer nach F i g. 1, F i g. 5 eine Ansicht eines Strahlungsmodulators, F 1 g. 6 eine Ansicht eines anderen Strahlungsmodulators.