DE1523282A1

DE1523282A1 - Verfahren zur Temperaturregelung

Info

Publication number: DE1523282A1
Application number: DE19651523282
Authority: DE
Inventors: Pigott Peter Malcolm; Pattison John Robert
Original assignee: British Iron and Steel Research Association BISRA
Current assignee: British Iron and Steel Research Association BISRA
Priority date: 1964-11-27
Filing date: 1965-11-25
Publication date: 1969-07-10
Also published as: BE672928A; SE325145B; NL6514941A; GB1118303A

Description

Patentanmeldung

der
THE BRITISH IROiT AJiD STiOJiL RSSEAIiCII ASSOCIATION, London, England

"Verfahren zur Temperaturregelung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines mit einer strahlenreflektierenden Oberfläche versehenen und durch ein entfernt stehendes Wärmegerät durch Strahlung aufgeheizten Körpers. In den lallen, in denen die Oberfläche eines aufzuheizenden Körpers nicht beschädigt werden darf, können keine Temperaturfühler zur Regelung der zuzuführenden Wärmemenge verwendet werden, die eine unmittelbare Berührung der Oberfläche des aufzuheizenden Körpers erforderlich machen.

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Selbst wenn die Qberflächenbedingungen derart sind, daß eine unmittelbare Berührung möglich erscheint, ist dies gewöhnlich unzuträglich oder mit Schwierigkeiten verbunden, da eine unmittelbare Berührung der Oberfläche des aufzuheizenden Körpers durch das Wärmegerät den AufheiζVorgang selbst beeinflußt«

Oftmals ist es erforderlich, einen Körper mit bearbeiteter strahlenreflektierenden Oberfläche unter Beachtung bestimmter kontrollierbarer Bedingungen aufzuheizen und die Oberflächentemperatur dieses Körpers während der Aufheizung zu messen, so daß die Temperaturmessung zur Grundlage einer Regelung der Wärmezufuhr gemacht werden kann. Um in derartigen Fällen der wesentlichen Forderung nach Vermeidung einer Berührung der reflektierenden Oberfläche durch irgendein Gerät zu genügen, können weder Wärmegeräte noch Temperaturmeßgeräte verwendet werden, die eine unmittelbare Berührung oder ein Eindringen in dei Oberfläche zur Voraussetzung haben. Zu diesem Zweck wird dementsprechend auch oftmals ein SÄfärmesurahlen aussendendes Wärmegeiät verwendet, wobei dann gleichzeitig das Problem entsteht, in welcher Weise die T-emperatur der Oberfläche des aufgeheizten Körpers zu messen sei, ohne daß eine Berührung zwischen der Oberfläche und dem Temperaturmeßgerät eintritt. Pyrometer oder andere Strahlendetektoren sind hierbei auf Grund der Tatsache ungenau, daß einige der von der Oberfläche des aufzuheizenden Körpers ausgehenden ^ Wärmestrahlen echte Oberflächen-Emissionsstrahlen sind und den J_x. wahren Temperaturzustand charakterisieren, während zusätzliche so Strahlen von der Oberfläche ausgehen, die reflektierte von dem ^ Wärmegerät herrührende Strahlen darstellen und deshalb einen ^ Hinweis auf den Wärmezustand des Wärmegerätes selbst und nicht des aufzuheizenden Körpers geben.

Wenn nun, was häufig der Fall ist, das Bedürfnis nach einer Regelung der Wärmezufuhr und einer Aufzeichnung der Temperaturzustände feesteht, so benötigt man genaue Meßwerte geeigneter Größe, die nur den Temperaturzustand des aufzuheizenden Körpers charakterisieren.

Da die Temperatur des Wäaegerätes immer höher als diejenige des aufzuheizenden Körpers sein muß, ist das v/ellenspektrum der reflektierten Strahlen ein deutlich anderes als das der reinen Oberflächen-Emissionsstrahlen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis des Vorhandenseins dieses Unterschiedes in der Wellenlänge aus, um die Möglichkeit einer wahren Messung der Oberflächen temperatur des aufzuheizenden Körpers während der Aufheizung zu erhalten. Die Erfindung strebt im wesentlichen an, die oben erwähnte Fehleuquelle dadurch auszuschalten, daß die xieflexionsstrahlen herausgefiltert werden, so daß eine genaue Bestimmung der Oberflächen-Emissionsstrahlen ermöglicht wird.

Die Erfindung bezieht sich daher zunächst auf ein Verfahren, zur Regelung der Temperatur eines mit einer strahlenreflek^erenden Oberfläche versehenden und durch ein entfernt stehendes Wärmegerät du?ch Strahlung aufgeheizten Körpers. Dieses Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß vom angestrahlten Körper ausgehende Wärmestrahlen durch einen filter mit einer Wellen-

ο längen-Durchlaßbreite gelenkt werden, die ein Maximum von Ober-

°o flächen-Emissionsstrahlen und ein Minimum von Reflexionsstrahlen

hindurchläßt, worauf die durch den Filter hindurchgegangenen

ο ^

cn Strahlen afu einen Strahlendetektor auftreffen, dessen Meßwerte

cn in einem Verstarker verstärkt und als Regelgrößen in einem Regler zur oTjeaeraiii ies A arme-erstes benduzt werden.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch verbessert und ausgeweitet werden, daß weitere vom angestrahlten Körper ausgehende WMrmestrahlen durch einen weiteren Filter mit einer Wellenringen-Durchlaßbreite gelenkt werden, die ein Maximum von Reflexionsstrahlen und ein Minimum von Oberflächen-Emissionsstrahlen hindurchläßt;worauf die durch den Filter hindurchgegangenen Strahlen auf einen zweiten Strahlendetektor auftreffen, dessen Meßwerte als Kompensationswerte zu den Meßwerten des ersten Strahlendetektors in Beziehung gebracht werden, so daß hierdurch der durch die auf den ersten Strahlendetektor auftreffenden schwachen Reflexionsstrahlen verursachte Fehler eliminiert wird.

Wenn die Temperatur des Wärmegerätes während des Aufheizzyklus auf gleichbleibender Höhe gehalten werden muß, so kann auch auf den ersten Strahlendetektor eine Korrekturkonstante zur Wirkung gebracht werden, die die Meßwerte dieses ersten Strahlendetektors derart korrigiert, daß die Verwendung eines zweiten Filters und Strahlendetektors entbehrlich wird.

co Zum Gegenstand der Erfindung gehört jedoch auch die Vorrichtung ο

^ zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich Q₀ dadurch auszeichnet, daß ein Meßgerät vorgesehen ist, das eine ο Sammellinse und einen Filter mit einer Wellenlängen-Durchlaßbreite *** enthält, die die von der Oberfläch? des angestrahlten Körpers gusgehenden und auf den Filter gelenkten Strahlen nur in soweit hindurchläßt, daß ein Maximum von Oberflächen-Emissionsstrahlen

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und ein Minimum von Reflexionsstrahlen durch den Filter hindurchtritt, daß ferner ein die Meßwerte des Strahlendetektors verstärkender Verstärker vorgesehen und ein Regler zur Steuerung des Wärmegerätes nachgeschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ein auf die Oberflächentemperatur des angestrahlten Körpers ansprechendes Anzeige- und / oder Aufzeichnungsgerät mit—einschließen.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des oben angegebenen erweiterten erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine weitere Linse, ein weiterer Filter und ein zweiter Strahlendetektor vorgesehen, wobei die Wellenlängen-Durchlaßbreite des Filters derart bemessen ist, daß ein Maximum von Reflexionsstrahlen durch das Filter hindurchtritt, und die Meßwerte des zweiten Strahlendetektors mit den Meßwerten des ersten Strahlendetektors in Kompensationsschaltung derart gekoppelt sind, daß hierdurch der systematische Fehler eliminiert wird.

Zweckmäßig sind die Linse, der Filter, der Strahlendetektor und der Verstärker in einem Gehäuse untergebracht, um welches herum ^o konstante Temperaturverhältnisse herrschen. Zum letztgenannten ^) Zweck kann das Gehäuse mit einem Kühlwassermantel umgeben sein.

***·. Dies ist in den meisten Fällen deshalb von Bedeutung, da bei fort-

laufenden Temperaturaufzeiohnungen und -regelungen keine nennens- ^m werte Meßwertverschiebung zulässig ist, weshalb es unumgänglich ist, das Temperaturmeßgerät und den Verstärker in einem gemeinsa-

men Gehäuse unterzubringen, in welchem ein gleichbleibender Temoeraturzustand aufrechtzuerhalten ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung mögen aus der nachfolgenden auf die Zeichnung bezugnehmenden Beschreibung ersichtlich werden, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert ist.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zur Temperaturregelung in einem schematischen Blockdiagramm,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil der Vorrichtung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 wird der Körper 10 durch das Wärmegerät Ii aufgeheizt. Die von der aufgeheizten Oberfläche des Körpers 10 ausgehenden Wärmestrahlen treten in das Meßgerät 12 ein, in welchem sie in * elektrische Meßwerte umgewandelt werden, die durch den Verstärke*

15, der aus einem sehr kleinen, Transistoren enthaltenden Gerät to

ο bestehen mag, verstärkt und an einen Regler 14 weitergeleitet werto

^ den, in welchem sie zur Regelung der Wärmeabgabe des Wärmegeräts

^ benutzt werden.

^0-1 In Fig. 2 ist das Meßgerät 12 in seinen Einzelheiten dargestellt. Die in dieses Gerät eintretenden Strahlen laufen durch eine Linse

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und einen Filter l6 bis zum Strahlendetektor 17, in welchem sie in elektrische Signale umgewandelt werden, die über die Drähte an den Verstärker 13 weitergeleitet werden. Die verstärkten Meßwerte können bei 19 abgenommen und über Verbindungsleitungen dem Regler Ik vermittelt werden.

Der Filter 16 hat eine derartige Wellenlängen-Durcnlaßbreite, daß ein Maximum von Oberflächen-Emissionsstrahlen und ein Minimum von Reflexionsstrahlen, die beide von der Oberfläche des aufzuheizenden Körpers 10 ausgehen, durch den Filter hindurchgelassen werden. Die Sammellinse 15 sorgt dafür, daß möglichst sämtliche in das Meßgerät 12 eintretende Strahlen zum Strahlendetektor 17 hingelenkt und durch diesen aufgenommen werden. Der Filter 16 ist an der Blende 20 und der Strahlendetektor 17 an der Tuende 21 befestigt. Diese Blenden 20 und 21.definieren einen bestimmten durchzulassenden Strahlungskegel und sind außerdem wärmeisoliert, so daß der Wärmeübergang vom Detektor 17 zum Verstärker I^ geringgehalten wird.

Das Meßgerät 12 wird von einem Kühlwassermantel 22 umgeben, des-

CD sen Kühlwasser über die Ein- und Auslaß^ffnung 2J und 24 ständig ο

"^ erneuert wird, so daß eine im wesentlichen konstante Temperatur

^ innerhalb des Bereichs aufrechterhalten werden kann, in dem sich ο die übrigen Vorgänge während des Betriebs abwickeln.

Bei einer Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 2 kann die Linse mit einem Überzug versehen sein, der die herauszufilternden, un-

erwünschten Wellenlängen reflektiert, so daß eine derartig abge-

wandelte Linse die Wirkungen der Linse 15 nach Pig. 2 und des Filters 16 der gleichen Figur kombiniert. In einem solchen Fall wäre also ein besonderer Filter 16 entbehrlich.

Bei einer anderen Ausführungsform kann sowohl ein Filter 16 nach Fig. 2 als auch eine Linse 15 mit Überzug vorgesehen sein, so daß sich durch die Vereinigung der beiden vorteilhaften Wirkungen ein verbesserter Effekt ergibt.

Bei einer verbesserten in der Zeichnung nicht dargestellten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein weiterer Filter und ein weiterer Strahlendetektor vorgesehen sein, wobei dieser zweite Filter eine derartige Wellenlängen-Durchlaßbreite aufweist, daß ein Maximum von Reflexionsstrahlen und ein Minimum von Emissionsstrahlen hindurchgelassen werden. Die uurch den zweiten Filter hindurchgetretenen Strahlen treffen aif den zweiten Strahlendetektor auf und erzeugen Meßwerte, die mit denen des ersten Strahlendetektors derart gegensinnig gekoppelt werden, dais rias Meßgerät 12 schließlich bereinigte oder korrigierte Meßwerte liefert, aus denen der durch das Vorhandensein von restlichen Reflexionsstrahlen verursachte Fehler eliminiert ist. Die Meßwerte des ersten Strahlendetektors sind nämlich durch das Vorhandensein von restlichen Reflexionsstrahlen verfälscht, so daß durch diese "Kompensatlonsschaltujng" dieser Fehler ausgeschaltet werden

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Auf diese Weise gelingt es, vollkommen fehlerfreie Meßwerte zu erhalten, die den wahren Temperaturzustand der Oberfläche des aufzuheizenden Körpers in Abhängigkeit von seinen Emissionsstrahlen charakterisieren. Es ist noch zu bemerken, daß in diesem Fall die beiden optischen Systeme nebeneinander angeordnet sind, so daß deren optische Achsen parallel zueinander verlaufen.

Wenn die Temperatur im Wärmegerät während des Aufheizzyklus gleichbleibend gehalten werden muß, so kann es bereits genügen, zur Vermeidung eines zweiten optischen Systems die vom Meßgerät 12 gelieferten Meßwerte mit Hilfe einer Korrektf^ukonstante zu korrigieren Die Pehlerkompensation kann auch im Falle der gleichbleibenden Temperatur mit den oben beschriebenen Mitteln erfolgen, es kann aber auch bei einigen Gelegenheiten einfacher erscheinen, ein Pyrometer in einer von der optischen Achse des ersten Detektors abweichenden Achse anzuordnen, wobei das Pyrometer durch eine zweite Linse und einen zweiten Filter angestrahlt sein mag. Es mögen sich

ergeben
auch Gelegenheiter/, bei denen eine Pehlerausschaltung überhaupt

unnötig ist.

Wenn die Temperatur des abstrahlenden Teils der Wärmequelle 11

te, während des Aufheizungsprozesses geändert wird, beispielsweise

ro durch Umschaltung von Stern- auf Dreieckschaltung oder durch Ver-

"^ änderung der Stromspannung oder -starke, so kann der Heizofen

^ durchaus durch eines der üblichen Pyrometer anvisiert werden, um

zur Fehlerkompensation verwendbare Werte zu erhalten, die eher abgeschwächt als verstärkt werden müssen, bevor sie mit den Meß-

-lower ten des Meßgeräts 12 zum Zwecke der Pehlerkompensation gekoppelt werden. Auf der anderen Seite ist eine Fehlerkompensationssohaltung unter Verwendung von selektiven Filtern immer dann erforderlich, wenn eine Änderung der auf den aufzuheizenden Körper auftreffenden Wärmestrahlen und der von diesem reflektierten Strahlen mit einer Veränderung in der Strahlungsquelle einhergeht, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn auf verschiedene einzelne Wärmestrahler umgeschaltet wird oder wenn sich die Form einer Heizflamme, beispielsweise einer ölflamme, geometrisch ändert, in einem solchen Fall sollte auch die zweite Linse, der zweite Filter und der zweite Detektor in dem gleichen temperaturbeständigen Gehäuse untergebracht sein wie die erste Kombination einer Linse, eines Filters und eines Detektors.

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Claims

Patenta η sprüche 23.11.1965+f

1. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines mit einer strahlenreflektierenden Oberfläche versehenen und durch ein entfernt stehendes Wärmegerät durch Strahlung aufgeheizten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß vom angestrahlten Körper (10) ausgehende Wärmestrahlen durch einen Filter (16) mit einer Wellenlängen·-

von Durchlaßbreite gelenkt werden, die ein Maximum/Oberflächenemissionsstrahlen und ein Minimum von Reflexionsstrahlen hindurchläßt, worauf die durch den Filter hindurchgegangenen Strahlen auf einen Strahlendetektor (17) auftreffen, dessen Meßwerte in einem Verstärker (I3) verstärkt und als Regelgrößen in einem Regler (14) zur Steuerung des Wärmegeräts (11) benutzt werden.

2β Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere vom angestrahlten Körper (10) ausgehende Wärmestrahlen durch einen weiteren Filter mit einer Wellenlängen-Durchlaßbreite gelenkt werden, die ein Maximum von Reflexionsstrahlen und ein Minimum von Oberflächenemissionsstrahlen hindurchläßt, worauf die durch den Filter hindurchgegangenen Strahlen auf einen zweiten Strahlendetektor auftreffen, dessen Meßwerte als Kompensationswerte zu den Meßwerten des ersten Strahlendetektors in Beziehung gebracht werden, so daß hierdurch der durch die auf den ersten Strahlendetektör auftreffenden schwachen Reflexionsstrahlen verursachte Fehler eliminiert wird. _909828/087fa

j5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Strahlendetektor (17) eine Korrekturkonstante zur Wirkung gebracht wird, die den durch die auf den Strahlendetektor auftreffenden schwachen Reflexionsstrahlen verursachten Fehler eliminiert.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgerät, (12) vorgesehen ist, das eine Sammellinse (15) und einen Filter (16) mit einer Wellenlängen-Durchlaßbreite enthält, die die von der Oberfläche des angestrahlten Körpers (10) ausgehenden und auf den Filter gelenkten Strahlen nur insoweit durchläßt, daß ein Maximum von Oberfläohenemissionsstrahlen und ein Minimum von Reflexionsstrahlen durch den Filter hindurchtritt, daß ferner ein die Meßwerte des Strahlendetektors verstärkender Verstärker (13) vorgesehen und ein Regler (14) zur Steuerung des Wärmegeräts (11) nachgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Oberflächenoernperatur ctes angestrahlten Körpers (10) ansprechendes Anzeige- und / oder Aufzeichnungsgerät vorgesehen ist.

& 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß oo

^ eine weitere Linse, ein weiterer Filter und ein zweiter Strahlen-

ο detektor vorgesehen sind, wobei die Wellenlängen-Durchlaßbreite

^ des Filters derart bernessen ist, daß ein Maximum von ReflexionsstraL··

len durch das Filter hindurchtritt und die Meßwerte des zweiten S^rahlendetektors nij t den Keßwerten des ersten Strahlendeuek'.ors

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iri Kompensationssclaaltung derart gekoppelt sind, daß hierdurch der systematische Fehler diminiert wird«

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß die Linse (15), der Filter (16), der Strahlendetektor (17) und der Verstärker (13) in einem Gehäuse untergebracht sind, um j welches herum konstante Temperaturverhältnisse herrschen·

8, Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse von einem Kühlwassermantel (22) umgeben ist.

9» Verfahren zur Regelung der Temperatur eines mit einer strahlenreflektierenden Oberfläche versehenen und durch ein entfernt stehendes Wärmegerät durch Strahlung aufgeheizten Körpers, gekennzeichnet durch die im wesentlichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die im wesentlichen durch die Zeichnung offenbarte Ausführungsform,

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