DE1573143C

DE1573143C - Radiometric Temperaturmeßvorrich device

Info

Publication number: DE1573143C
Authority: DE
Inventors: Douglas H PaIo Alto Cahf Durland (V St A )
Original assignee: Beckman Instruments Ine , Fuller ton, Calif (V St A )
Publication date: 1972-01-20

Description

i b'1'5 i b'1'5

Die Erfindung bezieht sich auf eine radiometrische Temperaturmeßvorrichtung zur Messung relativ niedriger Körpertemperaturen, bei der die von dem zu messenden Körper ausgehende Oberflächenstrahlung auf einen Strahlungsempfänger fällt, der innerhalb eines temperatur-regelbaren Gehäuses angeordnet ist, an dem ein Gehäusetemperaturfühler zur Erzeugung des Meßsignals vorgesehen ist und ein Temperaturdetektor den Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und dem Strahlungsempfänger festgestellt sowie eine Stellgröße zur Temperaturregelung des Gehäuses liefert.The invention relates to a radiometric temperature measuring device for measuring relatively lower Body temperatures at which the surface radiation emanating from the body to be measured falls on a radiation receiver, which is arranged within a temperature-controllable housing is on which a housing temperature sensor is provided for generating the measurement signal and a Temperature detector the temperature difference between the housing and the radiation receiver and supplies a manipulated variable for temperature control of the housing.

Bei bekannten radiometrischen Temperaturmeßvorrichtungen dieser Art wird der Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und dem Strahlungsempfänger z. B. durch die unterschiedliche Längenausdehnung des in diesem Fall länglich ausgebildeten Strahlungsempfängers und des Gehäuses angezeigt, in dem bei höherer Temperatur des Strahlungsempfängers durch die genannte unterschiedliche Längenausdehnung ein Schalter betätigt wird, der die Heizenergie zur Aufheizung des Gehäuses so lange einschaltet, bis das Gehäuse die gleiche Temperatur wie der Temperaturdetektor aufweist und der Schalter demzufolge wieder geöffnet wird.In known radiometric temperature measuring devices of this type, the temperature difference is between the housing and the radiation receiver z. B. by the different Length expansion of the radiation receiver, which in this case is elongated, and of the housing indicated in which at higher temperature of the radiation receiver by the said different Linear expansion a switch is operated, which the heating energy for heating the housing switches on until the housing has the same temperature as the temperature detector and the switch is opened again accordingly.

Da die bekannten Meßvorrichtungen sämtlich mit intermittierender Wärmezufuhr arbeiten, werden sie um so träger, je mehr sich die Temperatur des zu messenden Körpers der Raumtemperatur nähert, und sind nicht anwendbar, wenn die Temperatur des zu messenden Körpers unterhalb der Raumtemperatur liegt.Since the known measuring devices all work with an intermittent supply of heat, they will the slower the closer the temperature of the body to be measured approaches room temperature, and are not applicable if the temperature of the body to be measured is below room temperature located.

Die Aufgabe, die Temperatur eines Körpers radiometrisch zu messen, um etwa die gemessene Temperatur zur Regelung der Temperatur des Körpers zu verwenden, ergibt sich insbesondere bei Zentrifugen, bei denen Temperaturgradienten durch den Zentrifugenrotor möglichst minimal gehalten werden sollen. Wenn der Rotor von einer Vakuumkammer umgeben ist, so ergibt sich eine Wärmezufuhr zum Rotor hauptsächlich durch Wärmeübertragung vom Antriebsmotor über das Getriebe und durch Strahlungsaustausch zwischen dem Rotor und der umgebenden Vakuumkammer. Diese Wärmezufuhr und damit die Temperatur des Rotors im Gleichgewicht-· zustand ist im allgemeinen von der Drehzahl abhängig. The task of radiometrically measuring the temperature of a body in order to approximate the measured temperature to use to regulate the temperature of the body, results especially in centrifuges, in which temperature gradients are kept as minimal as possible by the centrifuge rotor should. If the rotor is surrounded by a vacuum chamber, there is a supply of heat to the Rotor mainly through heat transfer from the drive motor via the gearbox and through radiation exchange between the rotor and the surrounding vacuum chamber. This heat supply and thus the temperature of the rotor in equilibrium- state generally depends on the speed.

Es werden daher im allgemeinen Temperaturregeleinrichtungen, z. B. Kühleinrichtungen, verwendet, die die Vakuumkammer umgeben, um die Rotortemperatur im wesentlichen konstant zu halten. Der Betrieb der Kühleinrichtung kann automatisch mittels einer Regelschaltung geregelt werden, die von dem die Rotortemperatur anzeigenden Meßsignal gesteuert wird.There are therefore generally temperature control devices such. B. Cooling equipment, used which surround the vacuum chamber in order to keep the rotor temperature essentially constant. the Operation of the cooling device can be regulated automatically by means of a control circuit which is controlled by controlled by the measurement signal indicating the rotor temperature.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die obenerwähnten Nachteile der bekannten Temperaturmeßvorrichtungen zu vermeiden.The object of the invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of the known temperature measuring devices to avoid.

Eine erfindungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturregelung des Gehäuses eine thermoelektrische Heiz- und Kühlvorrichtung vorgesehen ist, durch die je nach dem Richtungssinn des zugeführten Stromes als Stellgröße eine Erwärmung oder Abkühlung des Gehäuses erfolgt.A temperature measuring device according to the invention of the type mentioned at the beginning is characterized in that that for temperature control of the housing a thermoelectric heating and cooling device is provided through which, depending on the sense of direction of the supplied current, a heating as a manipulated variable or cooling of the housing takes place.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below on the basis of an exemplary embodiment with reference to FIG Drawings explained in more detail. It shows

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Temperaturmeß Vorrichtung,F i g. 1 is a plan view of a temperature measuring device according to the invention,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2,
F i g. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie 3-3,F i g. 2 shows a cross section through the device according to FIG. 1 along the line 2-2,
F i g. 3 shows a cross section through the device according to FIG. 1 along the line 3-3,

F i g. 4 ein Blockdigramm einer erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung.F i g. 4 is a block diagram of a temperature measuring device according to the invention.

In den F i g. 1 bis 3 ist ein Radiometer für dieIn the F i g. 1 to 3 is a radiometer for that

ίο Gesamtstrahlung der Wärmebalance-Bauart dargestellt. Es weist generell einen Montierungsträger 10, einen Detektor 12, eine die Energiestrahlung richtende Einrichtung 14 und einen Temperaturregler 16 auf, der zwischen dem Träger 10 und der die Energiestrahlung richtenden Einrichtung 14 zwischengeschaltet ist. Eine allgemein mit 18 bezeichnete Meßeinrichtung für Temperaturdifferenzen dient zum Messen der zwischen dem Detektor 12 und der Strahlungsrichtenden Einrichtung 14 vorhandenen Temperaturdifferenz. Das Radiometer kann an dem Objekt montiert sein, dessen Temperatur zu messen und zu regeln ist. Das Objekt kann ein Zentrifugenrotor 20 sein, der drehbar in einer Umhüllung 22 montiert ist, die den Rotor umgibt und eine Vakuumkammer 24 bildet. Das Radiometer kann in der Nähe irgendeiner geeigneten zugänglichen Fläche des Rotors 20 angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die untere Fläche 26 des Rotors verwendet. Die Fläche 26 ist anodisch geschwärzt, um sie wärmeabsorptionsfähig zu machen.ίο Total radiation of the heat balance design shown. It generally has a mounting support 10, a detector 12, and the energy radiation directing device 14 and a temperature controller 16, which is between the carrier 10 and the the energy radiation directing device 14 is interposed. One indicated generally at 18 Measuring device for temperature differences is used to measure the temperature between the detector 12 and the radiation directing device 14 existing temperature difference. The radiometer can be mounted on the object whose temperature is to be measured and controlled. The object can be a centrifuge rotor 20 rotatably mounted in an enclosure 22 surrounding the rotor and forms a vacuum chamber 24. The radiometer may be near any suitable accessible Surface of the rotor 20 be arranged. In a preferred embodiment, the lower Surface 26 of the rotor used. The surface 26 is anodically blackened to make it heat absorbent close.

Der Detektor 12 kann die Gestalt eines Metallfolienstückes haben, dessen obere Fläche zum Erhalten hoher Absorptionsfähigkeit geschwärzt ist.The detector 12 may be in the form of a piece of metal foil, the upper surface of which is to be preserved high absorbency is blackened.

Eine Aluminiumfolie in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 1,3 cm wurde erfolgreich verwendet.An aluminum foil in the form of a disc about 1.3 cm in diameter has been successful used.

Die Richteinrichtung 14 für die Energiestrahlung hat vorzugsweise die Form eines Metallschirmes 28 mit einer im Zentrum angeordneten Öffnung 30 und einem sich nach außen erstreckenden Umfangsflansch 32, der zum Absperren von Wärmestrahlung zwischen der Umhüllung 22 und dem Detektor 12 dient. Der Flansch 32 besitzt eine obere horizontale geschwärzte Oberfläche 34, die nahe an der unteren Oberfläche 26 des Rotors 20 und im wesentlichen parallel zu dieser angeordnet ist.The directional device 14 for the energy radiation preferably has the form of a metal screen 28 having a centrally located opening 30 and an outwardly extending peripheral flange 32, which is used to shut off thermal radiation between the casing 22 and the detector 12. the Flange 32 has an upper horizontal blackened surface 34 that is close to the lower surface 26 of the rotor 20 and is arranged substantially parallel to this.

Ein für infrarote Strahlung durchlässiges Fenster 36 ist über der Öffnung 30 montiert, um das Innere des Radiometers gegen Staub und andere Fremdstoffe zu schützen. Das Fenster 36 kann an der oberen Fläche 34 mittels irgendeines geeigneten Befestigungsmittels angebracht sein oder die Gestalt einer dünnen Kunststoffmembran bzw. eines Blattes aus Polyäthylen od. dgl. haben, das lösbar an dem Flansch 32 befestigt ist. Beispielsweise kann die Außenkante des Flansches 32 mit einer Umfangsnut 38 zum Aufnehmen eines O-Ringes 40 versehen sein, der das Kunststoffblatt an seinem Platz spannt. Da die Rotorkammer 24 während des Rotorbetriebes evakuiert wird, ist in der Abschirmwand eine kleine Luftöffnung 42 vorgesehen, um einen Druckausgleich zwischen dem Radiometer und dem Außenraum zu ermöglichen.An infrared radiation transmissive window 36 is mounted over opening 30 to the interior protect the radiometer from dust and other foreign matter. The window 36 can be at the top Surface 34 may be attached by any suitable fastening means or the shape of a thin plastic membrane or a sheet of polyethylene od. Like. Have the releasable on the Flange 32 is attached. For example, the outer edge of the flange 32 can be provided with a circumferential groove 38 may be provided to receive an O-ring 40 which biases the plastic sheet in place. There the rotor chamber 24 is evacuated during rotor operation, there is a small one in the shielding wall Air port 42 is provided to allow pressure equalization between the radiometer and the outside space enable.

Die Öffnung 30 ist so geformt, daß sie Energiestrahlen zwischen der Rotorfläche 26 und dem Detektorelement 12 reflektiert. Zur Verbesserung der Reflexion ist die Wand der Öffnung 30 poliert. Es hatThe opening 30 is shaped so that there are energy beams between the rotor surface 26 and the detector element 12 reflected. The wall of the opening 30 is polished to improve the reflection. It has

sich gezeigt, daß eine einwärts gerichtete konische Ausbildung der Öffnung 30 befriedigende Ergebnisse ergibt. Die Geometrie der Abschirmung 14 ist so gewählt, daß im wesentlichen alle die Oberfläche des Detektors 12 verlassenden Energiestrahlen entweder direkt durch das Fenster 36 gelangen oder die polierte Wand der Öffnung 30 treffen, von wo sie durch das Fenster 36 zur Rotorfläche 26 reflektiert werden. Da die Rotorfläche 26 kein vollständig schwarzer Körper ist, tritt, noch etwas Reflexion auf. Von der Rotorfläche 26 reflektierte Strahlen treten entweder wieder in die Öffnung 30 ein oder treffen auf die geschwärzte Fläche 34 des Flansches 32. Strahlen, die von der den Rotor 20 umgebenden Umhüllung 22 ausgehen oder auf diese gerichtet sind, werden größtenteils durch den Flansch 32 gesperrt. Demzufolge fällt im wesentlichen alle Strahlungsenergie, die den Detektor 12 verläßt oder auf diesen auffällt, nur auf den Rotor 20 oder die Abschirmung 14 auf oder verläßt diese.Inwardly tapering the opening 30 has been shown to give satisfactory results results. The geometry of the shield 14 is chosen so that essentially all of the surface of the Detector 12 exiting energy beams either pass directly through the window 36 or the polished Meet the wall of the opening 30, from where they are reflected through the window 36 to the rotor surface 26. Since the rotor surface 26 is not a completely black body, some reflection still occurs. Of the Rays reflected from the rotor surface 26 either re-enter the opening 30 or strike the blackened one Surface 34 of the flange 32. Rays emanating from the envelope 22 surrounding the rotor 20 or are directed towards them, are for the most part blocked by the flange 32. As a result, the essentially all radiant energy leaving or impinging on detector 12 only on the rotor 20 or the shield 14 or leaves this.

Der Differentialtemperaturfühler 18 mißt die Temperaturdifferenz zwischen dem Detektor 12 und der Abschirmung 14. Der Fühler 18 kann die Gestalt von zwei unabhängigen Temperaturfühlelementen haben, wie die eines Thermistors oder eines Thermoelements, die an der Detektorscheibe 12 und der Abschirmung 14 angebracht sind. In der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat der Differentialtemperaturfühler 18 die Gestalt eines einzigen Thermoelements mit einer ersten, am Detektor 12 befestigten Lötstelle 44 und einer an der Abschirmung 14 angebrachten zweiten Lötstelle bzw. Verbindung 46. Das Thermoelement 18 kann ein Kupfer-Konstantan-Element sein, bei dem ein Konstantandraht 48 zwischen der Detektorlötstelle 44 und der Abschirmlötstelle 46 verwendet wird. Ein Kupferanschluß 50, der in Metall-zu-Metall-Kontakt mit der Abschirmung 14 montiert ist, verbindet den Draht 48 mit einer äußeren Leitung. Ein Kupferdraht 52 stellt eine Verbindung zwischen der Detektorlötstelle 44 und einem Kupferanschluß 54 her, der in einer isolierten Hülse 56 in der Wand der Abschirmung 14 montiert ist. Die mit den äußeren Enden der Anschlüsse 50 und 54 verbundenen, nicht dargestellten äußeren Leitungen bestehen vorzugsweise aus Kupfer, so daß jede unähnliche Metallverbindung eliminiert ist, die Fehler in das Thermoelementsignal einbringen könnte. Der Konstantandraht 48 ist daher das einzige Element im Thermoelementkreis, das nicht aus Kupfer besteht. Der jeweilige Durchmesser der Thermoelementdrähte 48 und 52 soll an sich so klein wie möglich sein, um eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen dem Detektor 12 und der Abschirmung 14 minimal zu halten. Die Drähte sollen jedoch stark genug sein, daß sie genügend mechanische Festigkeit haben, um den Detektor 12 unterstützen bzw. tragen zu können. Es wurde gefunden, daß ein Drahtdurchmesser von beispielsweise 0,1 mm geeignet ist.The differential temperature sensor 18 measures the temperature difference between the detector 12 and the Shield 14. The probe 18 can take the form of two independent temperature sensing elements have, like those of a thermistor or a thermocouple, attached to the detector disk 12 and the shield 14 are attached. In the preferred embodiment shown in the drawings the differential temperature sensor 18 has the shape of a single thermocouple with a first, am Detector 12 attached soldering point 44 and a second soldering point or soldering point attached to the shield 14. Connection 46. Thermocouple 18 may be a copper constantan element having a constantan wire 48 is used between the detector solder joint 44 and the shield solder joint 46. A Copper connector 50 mounted in metal-to-metal contact with shield 14 connects the Wire 48 with an outer lead. A copper wire 52 provides a connection between the detector solder joint 44 and a copper terminal 54, which is in an insulated sleeve 56 in the wall of the shield 14 is mounted. Those connected to the outer ends of the connections 50 and 54, not shown outer leads are preferably made of copper so that any dissimilar metal connection is eliminated, which could introduce errors in the thermocouple signal. The constantan wire 48 is therefore the only element in the thermocouple circuit that is not made of copper. The respective diameter the thermocouple wires 48 and 52 should in themselves be as small as possible in order to permit heat transfer by conduction between the detector 12 and the shield 14 to keep minimal. The wires should, however, be strong enough that they have sufficient mechanical strength to support the detector 12 to be able to support or carry. It has been found that a wire diameter of, for example 0.1 mm is suitable.

Die Temperatur der Abschirmung 14 wird durch eine Heiz- und Kühlvorrichtung 16 geregelt, für die eine thermoelektrische Einheit vorgesehen ist. Dieser Vorrichtungstyp ist wohlbekannt und übt entweder eine wärmende oder kühlende Wirkung auf die Abschirmung 14 aus, je nachdem, welche Richtung der durch die Einheit gesandte elektrische Strom hat. Die Abschirmung 14 kann demnach durch Steuerung des durch die Einheit 16 gelangenden Stromes auf die gewünschte Temperatur gebracht werden.The temperature of the shield 14 is regulated by a heating and cooling device 16 for which a thermoelectric unit is provided. This type of device is well known and exercises either a warming or cooling effect on the shield 14, depending on which direction the has electrical current sent through the unit. The shield 14 can accordingly be controlled by the through the unit 16 passing current can be brought to the desired temperature.

Eine Meßeinrichtung für die Temperatur der Abschirmung 14 weist einen Block 57 auf, der unterhalb des Flansches 32 in gutem Wärmekontakt mit diesem montiert ist und ein temperaturempfindliches Element einschließt, das ein Thermistor 58 sein kann.A measuring device for the temperature of the shield 14 has a block 57, which is below of flange 32 is mounted in good thermal contact therewith and a temperature sensitive element includes, which may be a thermistor 58.

Nunmehr wird an Hand des Blockdiagramms gemäß F i g. 4 die Betriebsweise des Temperaturregel- und Meßsystems beschrieben. Wenn sich der Detektor 12 und die Abschirmung 14 auf verschiedenen Temperaturen befinden, liefert das Differentialthermoelement 18 ein Signal, das durch einen Verstärker 60 an die thermoelektrische Einheit 16 gelangt. Die Stromrichtung durch die Einheit 16 hängt davon ab, welches der beiden Elemente 12 und 14 sich auf höherer Temperatur befindet. Die thermoelektrische Einheit 16 treibt die Temperatur der Abschirmung 14 in der gewünschten Richtung, um die Abschirmung auf dieselbe Temperatur wie den Detektor 12 zu bringen. Die Strahllingskopplung von Detektor 12 und Rotor 20 ist wesentlich größer als die Kopplung von Detektor 12 und Abschirmung 14 durch Strahlung und Leitfähigkeit. Mit anderen Worten ist zwar die Temperatur des Detektors 12 sowohl durch die Rotortemperatur 20 als auch durch die Temperatur der Abschirmung 14 beeinflußt, jedoch weit mehr durch die des Rotors. Wenn demzufolge die R.otortemperatur Z₁ ist und sich die Abschirmung auf der unterschiedlichen Temperatur /., befindet, hat der Detektor eine dritte Temperatur t_v i., liegt dann ganz nahe bei t_r Es ist offensichtlich, daß dann, wenn das Ausgangssignal des Differentialthermoelements 18 gleich Null ist und anzeigt, daß sich der Detektor 12 und die Abschirmung 14 auf derselben Temperatur befinden, der Rotor im wesentlichen dieselbe Temperatur wie der Detektor 12 und die Abschirmung 14 hat. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, gibt es keine Wärmeübertragung zwischen diesen Elementen, und die gemessenen Temperaturen sind demnach im wesentlichen unabhängig von der Emissionsfähigkeit der Rotorfläche. Zusätzlich ergibt eine Messung der im Gleichgewicht befindlichen Abschirmungstemperatur eine genauere Messung der Rotortemperatur.With reference to the block diagram according to FIG. 4 describes the operation of the temperature control and measuring system. When the detector 12 and the shield 14 are at different temperatures, the differential thermocouple 18 supplies a signal which is passed through an amplifier 60 to the thermoelectric unit 16. The direction of current through the unit 16 depends on which of the two elements 12 and 14 is at a higher temperature. The thermoelectric unit 16 drives the temperature of the shield 14 in the desired direction in order to bring the shield to the same temperature as the detector 12. The beam coupling of detector 12 and rotor 20 is significantly greater than the coupling of detector 12 and shield 14 by radiation and conductivity. In other words, although the temperature of the detector 12 is influenced both by the rotor temperature 20 and by the temperature of the shield 14, it is much more influenced by that of the rotor. Accordingly, if the rotor temperature Z is ₁ and the shielding is at the different temperature /., The detector has a third temperature t _v i., Is then very close to t _r. It is obvious that when the output signal of differential thermocouple 18 is zero and indicates that detector 12 and shield 14 are at the same temperature, the rotor is at substantially the same temperature as detector 12 and shield 14. If this condition is met, there is no heat transfer between these elements and the measured temperatures are therefore essentially independent of the emissivity of the rotor surface. In addition, a measurement of the shielding temperature in equilibrium gives a more accurate measurement of the rotor temperature.

Zum Regeln der Temperatur des Rotors 20 ist ein Kühlgerät 62 vorgesehen, dessen Betrieb durch den Thermistor 58 gesteuert wird, dessen Widerstand entsprechend der Temperatur der Abschirmung variiert. Der Thermistor 58 bildet den aktiven Arm einer Brückenschaltung 64, die von einer Gleichstromquelle 66 gespeist ist. Der Ausgang der Brücke 64 ist mit einem Relais 68 verbunden, das seinerseits den Betriebszyklus des Kühlgerätes 62 steuert. Der Arbeitspunkt des Relais 68 ist so einstellbar, daß der Rotor 20 auf jeder gewählten Temperatur gehalten werden kann. Zusätzlich ist eine kontinuierlich arbeitende Ablesevorrichtung der Rotortemperatur am Ausgang der Brückenschaltung 64 anbringbar.To regulate the temperature of the rotor 20, a cooling device 62 is provided, its operation by the Thermistor 58 is controlled, the resistance of which varies according to the temperature of the shield. The thermistor 58 forms the active arm of a bridge circuit 64 which is powered by a direct current source 66 is fed. The output of the bridge 64 is connected to a relay 68, which in turn has the Operating cycle of the refrigerator 62 controls. The operating point of the relay 68 is adjustable so that the Rotor 20 can be kept at any selected temperature. In addition, is a continuously working The rotor temperature reading device can be attached to the output of the bridge circuit 64.

Claims

Claim:

Radiometric temperature measuring device for measuring relatively low body temperatures, in which the surface radiation emanating from the body to be measured onto a radiation receiver falls, which is arranged within a temperature-controllable housing. on which a housing temperature sensor for generating the Messsianals is provided and a Temt> eratur-

detector detects the temperature difference between the housing and the radiation receiver and supplies a manipulated variable for temperature control of the housing, characterized in that that for temperature control of the housing a thermoelectric heating and cooling device (16) is provided through which depending on the direction of the supplied current as Control variable heating or cooling of the housing (14) takes place.

1 sheet of drawings