DE1573340A1

DE1573340A1 - Measuring device for temperature rays

Info

Publication number: DE1573340A1
Application number: DE19661573340
Authority: DE
Inventors: Rolf Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-06-08
Filing date: 1966-06-08
Publication date: 1970-07-23

Description

Meßgerät für Temperaturstrahlen.Measuring device for temperature rays.

Zur Messung von hohen Temperaturen sind,wie bekannt,die Strahlungspyrometer geeignet.Diese beruhen darauf,daß man die Energie der Gesamtstrahlung oder die der Strahlung aus einem bestimmten SpeLtralbereich mißt und benützen im Wesentl : chen das Stef an-Boltzmann sche GesetzODer Nachteil dieser Methode ist,daß sie nur dann anwendbar ist,wenn die Entfernung vom Meßgerät bis zum strahlenden Körper und der Emmissionskoeffizient des Körpers bekannt sind.Eine andere belrannte Methode ist,die Temperaturfarbe des Temperaturstrahlers mit der Temparaturfarbe eines bekannten Körpers(z.B.Faden einer Glühlampe) zu vergleichen.Nachteil dieser Methode:Sie ist zur automatischen Steuerung eines prozesses nicht verwertbar.As is known, radiation pyrometers are used to measure high temperatures These are based on the fact that the energy of the total radiation or that of the Basically, it measures and uses radiation from a certain spectral range Stef an-Boltzmann's law or the disadvantage of this method is that it only works is applicable if the distance from the measuring device to the radiating body and the Emission coefficient of the body are known. Another burned method is that Temperature color of the temperature radiator with the temperature color of a known one Body (e.g. filament of a light bulb). Disadvantage of this method: it is Cannot be used for the automatic control of a process.

Das im folgenden vom Erfinder angegebene Gerät für Temperaturstrahlen arbeitet unabhängig von deT Entfernung und dem @@@@@ Emissionskoeffizient des strahlenden Körpers und ist für die automatische Steuerung von Prozessen geeignet.The device for thermal radiation given by the inventor below works independently of the distance and the @@@@@ emission coefficient of the radiating Body and is suitable for the automatic control of processes.

Die Erfindung beruht auf folgender Idee Mittels zweier @ auf verschiedene Wellenlängenbereiche des Strahlungsspektrums ansprechende Indikatoren (Photozellen) wird die Strahlungsenergie des Strahlers bestimmt.Von diesen beiden Meßdaten wird der Quotient gebilde t . Diese t? ist t dann al allein eiie Funktion der Temperatur und kann dierekt zur S Steuerung von Prozessen benutzt werden.The invention is based on the following idea by means of two @ on different Wavelength ranges of the radiation spectrum, appropriate indicators (photocells) the radiation energy of the radiator is determined. From these two measurement data, the quotient formed t. This t? t is then only a function of temperature and can be used directly to control processes.

Es wird wieder bei dieser Meßmethode,wie auch bei den bekannten Verfahren,vorausgesetzt,daß es sich bei dem Körper, dessen Temperatur zu messen ist,um einen grauen Körper handelt oder daß die Abhängigkeit des Emissionskoeffizient@n von der Wellenlänge bekannt ist.It is again with this measuring method, as with the known methods, a prerequisite that the body whose temperature is to be measured is a gray body or that the dependence of the emission coefficient @ n on the wavelength is known is.

Nach dem Planck' schen Strahlungsgesetz. findet man z.B.folgende spektrale intensitätsverteilung der grauen Strahlung: siehe Abbild 1.Filtert man z.B.die Intensität I1µ bei 14 Wellenlänge für 800° C Körpertemperatur heraus, so erhält man 1,3 1o1 Einheiten.Enenso ist I2,5µ =4,5 1o2 Einheiten. Dann ist ein Maß @@@ 1,3#10@@ für T= 800° C der Wert @ 3#10-2 @@@@@ @@@@@@@ Ebenso findet man für T = 1000°C den Wert für = @@@ @@@@@ @@@@@@@ Dabei spielt weder der Emssionskoeffizient,noch die Entfernung eine Rolle,da diese in gleicher Weise im Zähler und Nenner stehen und sich damit herausheben.According to Planck's law of radiation. one finds e.g. the following spectral intensity distribution of the gray radiation: see Figure 1, if you filter e.g. the intensity I1µ at 14 wavelength for 800 ° C body temperature, one obtains 1.3 1o1 Units. So I2.5µ = 4.5 1o2 units. Then a measure @@@ 1,3 # 10 @@ is for T = 800 ° C the value @ 3 # 10-2 @@@@@ @@@@@@@ You can also find the value for T = 1000 ° C for = @@@ @@@@@ @@@@@@@ Neither the emission coefficient nor the distance plays a role, since these are in the numerator and denominator in the same way and stand out with it.

Daraus folgt grundsätzlich das mlockschaltbild :Abbild 2.This basically results in the mlock circuit diagram: Figure 2.

Die Temparaturstrahlung trifft auf zwei Indikatoren(Photozellen)Pi und P2,deren spektrale Empfindlichkeit in einem bekann-. ten Bereich um #1 bzw #1 liegt.Die dadurch entstehenden Spannungen U und U2 proportional zur Intensität I#@ bzw gehen in die Divisionsschaltung.Aus der Divisionsschaltung kommt die Spannung Uw = U. U1/U2,die nur von der Temperatur abhängt.Da die Divisionsschaltung ein wesentlicher Bestandteil des Meßgerätes ist'muß @@@@ sie näher beschrieben werden.The temperature radiation hits two indicators (photocells) Pi and P2, whose spectral sensitivity is well known. th area around # 1 or # 1 The resulting voltages U and U2 proportional to the intensity I # @ or go into the division circuit. The voltage comes from the division circuit Uw = U. U1 / U2, which only depends on the temperature. Since the division circuit is an essential It is part of the measuring device and must be described in more detail.

Die Erfindung der Divisionsschaltung beruht auf der Tatsache, da bei nichtlinearen Widerständen z.B. Kristalldioden der differentielle Widerstand D = dU/dI von der Spannung U abhängig ist.Abbild 3 stellt die Kennlinie eines spannungabhängigen Widerstandes dar.Dieser hat die Gleichung I = f(U).The invention of the division circuit is based on the fact that at non-linear resistances e.g. crystal diodes the differential resistance D = dU / dI depends on the voltage U. Figure 3 shows the characteristic of a voltage-dependent Resistance, which has the equation I = f (U).

Man legt an den Widerstand zwei Spannungen E1 und E2 an, z.B.nach der Schaltung Abbild 4,wovon E1 eine Gleichspannung ist,E2eine Wechselspannung.Zur Vereinfachung der Erklärung wird angenommen, daß @1 für Gleichstrom null ist,aber für Wechselstrom unendlich groß (Drossel), #2 soll für Gleichstrom unendlich groß sein-und für Wechsekstrom ein Kurzschluß (großer Kondensator).Die Wechselspannung E2 soll so klein sein, daß der differentielle Widerstand D = dU/dI als konstant betrachtet werden kann,d.h.daß die Kennlinie im Bereich E2 als Gerade betrachtet werden kann (siehe Abbild 3).Mittels der G Gleichspannung E1 wird durch Verschieben des Arbeitspunktes das gewünschte D hergestellt.Das Meßinstrument soll nur Wechselstrom anzeigen.Man berechnet für den durch das Instrument fließenden Wechselstrom I2 = E2/D mit dU 1 1 1 1 D = dJ = dJ/dY = df(U) = f'(U) = f'(E1) dU erhält man für I2 = E2 f' (E1) Je nach Wahl der Kennlinienform und der Heranführung der beiden Spannungen E1 und E2 an den spannungsabhängigen Widerstand kann man die verschiedensten Funktionen I2 = I2 (E1, E2) erzielenOWenn z.B.die Kennlinie in unserem Beispiel die Form I = ln U hat,gilt dI/dU = f'(U) = 1/U und man hat für 12. = E2/E die gewünschte Division erreicht.Two voltages E1 and E2 are applied to the resistor, e.g. after of the circuit in Figure 4, of which E1 is a direct voltage, E2 an alternating voltage To simplify the explanation, it is assumed that @ 1 is zero for direct current, but for alternating current infinitely large (choke), # 2 should be infinitely large for direct current his-and for alternating current a short circuit (large capacitor). The alternating voltage E2 should be so small that the differential resistance D = dU / dI is constant can be viewed, i.e. that the characteristic curve in area E2 is viewed as a straight line (see Figure 3). By means of the G DC voltage E1 becomes by shifting The desired D is established from the working point. The measuring instrument should only use alternating current Calculate for the alternating current I2 = flowing through the instrument E2 / D with dU 1 1 1 1 D = dJ = dJ / dY = df (U) = f '(U) = f' (E1) dU is obtained for I2 = E2 f '(E1) Depending on the choice of the shape of the characteristic and the approach of the two voltages E1 and E2 on the voltage-dependent resistor can have a wide variety of functions I2 = I2 (E1, E2) achieve O If, for example, the characteristic curve in our example is the form I. = ln U, then dI / dU = f '(U) = 1 / U and one has the desired division for 12. = E2 / E achieved.

Im folgenden soll eine Divisionsschlatung ( Abbild 5) mit e-funktionsförmiger Kennlinie I = I0 e#@ besprochen werden, da Kristalldioden mit einer solchen Kennlinie im Handel sind.In the following, a division code (Figure 5) with an e-functional Characteristic curve I = I0 e # @ must be discussed, since crystal diodes have such a characteristic curve are in trade.

Man wählt R1 # U/I und R2 # D, so, daß folgende Vereinfachungen gelten: 1.Gleichstrombetrachtung E1 = R1. I1 + U daraus folgt für R1 # U/I E1 = R1#I1 (E2 und I2 sollen viel kleiner als-E1 und I1 sein) 2.Wechselstrombetrachtung E2 = (R2 + @/@@@) @2 + D @2 Mit D = dU/dI = konst für I2 hinreichend klein.R1 wurde vernachlässigt.Wählt man wieder (R2 + 1/jwC) >> Dmax dann gilt ES = (R2 + ###) @2 (2) D& die Kennlinie die Form einer e-Funktion hat gilt I = I0 e Daraus ergibt sich durch Auflösung nach U 1. und durch Ableiten dU = 1 . 1 = D (3) dJ α J J = J1 ##### J2 << J1 Man setzt (1) in (3) ein D= @/@ R@#@/E1 D @2 = 1/@ R@ @@/E1 und mit (2) R @ D @2 = @/@ # E2/E1 1 R2 + @@@ D 12 ist aber genau die hinter Cl abgreifbare Wechselspannung Uw und man hat so die Division von 22/E1 erzielt.Choose R1 # U / I and R2 # D so that the following simplifications apply: 1. DC consideration E1 = R1. I1 + U it follows for R1 # U / I E1 = R1 # I1 (E2 and I2 should be much smaller than -E1 and I1) 2. Alternating current consideration E2 = (R2 + @ / @@@) @ 2 + D @ 2 With D = dU / dI = const for I2 sufficiently small. R1 was neglected. Selected one again (R2 + 1 / jwC) >> Dmax then ES = (R2 + ###) @ 2 (2) D & die Characteristic curve in the form of an exponential function, I = I0 e This results from the resolution after U 1. and by deriving dU = 1. 1 = D (3) dJ α J J = J1 ##### J2 << J1 Put (1) in (3) D = @ / @ R @ # @ / E1 D @ 2 = 1 / @ R @ @@ / E1 and with (2) R @ D @ 2 = @ / @ # E2 / E1 1 R2 + @@@ D 12 is exactly the alternating voltage that can be tapped after Cl Uw and you have achieved the division of 22 / E1.

Abbild 5 stellt nur eine prinzipielle Anordnung das,um eine -Division zu erzielen.Für die Praxis ist sie wegen den hohen Widerständen R1 und R2 und den damit erforderlichen hohen Spannungen E1 und E2 nicht sehr günstig..iVjan wird diese Schaltung daher umgehen durch solche,für die die geforderten Proportionalitäten (zwischen E1,I1und E2,12) weiterhin gelten, aber die Widerstände kleiner gewählt werden können.Eine solche Schaltung stellt Abbild 6 dar.V ist eine konstante Gleichspannungsquelle. Abbild 7 ist das Ersatzschaltbild für Abbild 6 für die Berechnung der Wirkung der Gleichspannung E1.Es gilt: 1 = R @ I1+ U - V Wie man aus Abbild 3 sieht,schwankt U nur in kleinen Grenzem, wenn I sich stark ändert¢Man wählt daher für V etwa den Mittelwert von U. Damit wird die Differenz U - V viel kleiner als U(besondere,wenn die e-Funktion sehr steil ist) und man kann schong für viel kleinere R die näherung E1 = R I1 benutzen als in der Schaltung Abbild 5.Für den Wechselstrom E2 kann Abbild6 durch das Ersatzschaltbild 8 ersetzt werden.Der Kondensator 0o soll so groß sein,.daß er bei den verwendeten Frequenz des Wechselstroms E2 ein Kurzschluß darstellt.Es gilt dann für die an der Diode abgenommene Wechselspannung Uw Stimnt man den Kreis L,C genau auf seine Eigenfrequenz @ = @/@@ ab, dann gilt für Uw @2L C D U w L Das letzte Gesetz hat wieder die gewünschte Form,wie (2). tan kann also mit dieser Schaltung mit wesentlich kleineren E1 und E2 und danit mit kleinerem Aufwand die gewünschte Division erzielen. Die frequenzabhängigkeit der schaltung ist kein Nach-+eil.Figure 5 shows only a basic arrangement to achieve a division. In practice, it is not very favorable because of the high resistances R1 and R2 and the high voltages E1 and E2 required , for which the required proportionalities (between E1, I1 and E2,12) still apply, but the resistances can be selected to be lower. Figure 6 shows such a circuit. V is a constant DC voltage source. Figure 7 is the equivalent circuit diagram for Figure 6 for calculating the effect of the DC voltage E1. The following applies: 1 = R @ I1 + U - V As you can see from Figure 3, U fluctuates only in small limits if I changes significantly ¢ One chooses hence the mean value of U for V. This makes the difference U - V much smaller than U (especially when the exponential function is very steep) and one can use the approximation E1 = R I1 for much smaller R than in the Circuit Figure 5. For the alternating current E2, Figure 6 can be replaced by the equivalent circuit diagram 8. The capacitor 0o should be so large that it represents a short circuit at the frequency of the alternating current E2 used. It then applies to the alternating voltage Uw taken from the diode If one tunes the circle L, C exactly to its natural frequency @ = @ / @@, then applies to Uw @ 2L CDU w L The last law again has the desired form, like (2). With this circuit, tan can achieve the desired division with much smaller E1 and E2 and then with less effort. The frequency dependency of the circuit is not a disadvantage.

Die e-funktionsförmige Kennlinie gilt im allgemeinen für einen bestimmten Bereich,womit E1 eingeschränkt ist.E2 wird nach oben dadurch begren zt,daß die Kennlinie nicht mehr durch eine Gerade ersetzt werden kann,d.h.daß D nicht mehr unabhängig von E2ist und nach. unten durch die über E1 eindringenden Reste von Wechselspannung und durch die Empfindlichkeit des nachfolgenden Verstärkers.The e-function-shaped characteristic is generally valid for a specific one Area with which E1 is restricted. E2 is limited upwards by the fact that the characteristic can no longer be replaced by a straight line, i.e. that D is no longer independent from E2ist and after. below by the residues of alternating voltage penetrating via E1 and by the sensitivity of the subsequent amplifier.

Abbild 9 zeigt das Blockschaltbild des gesamten Meßgerätes.Figure 9 shows the block diagram of the entire measuring device.

Die Temperaturstrahlung durchläuft eine optische Einrichtung (nicht gezeichnet),eine Lochscheibe t, die von einem (Synchron-) motor S angetrieben wird und das Filter Pi 1 bzw das Filter Fi 2 und trifft auf die Indikatoren (Phototellen) Pl bzw P2.The thermal radiation passes through an optical device (not drawn), a perforated disc t, which is driven by a (synchronous) motor S. and the filter Pi 1 or the filter Fi 2 and hits the indicators (photo cells) Pl or P2.

Die Kombination Fi @,P1 und Fi 2,P2 greifen aus dem Temperaturstrahlenspektrum zwei verschiedene bereiche um @@ und r, heraus, Die an den beiden Photozellen entstehenden Wechselspannungen werden durch die Verstärker V1,V2 und V3 verstärkt.Durch die im Verstärker v3 und nachfolgende Gleichrichtung erhaltenenSteuerspannungen U51 und US2 können die Verstärkungsfaktoren der Verstäarker V1 und V2 verändert werden, wobei nur darauf zu achten ist,daß das in beiden Verstärkern in gleicher Weise geschieht.The combination Fi @, P1 and Fi 2, P2 take effect from the temperature radiation spectrum two different areas around @@ and r, out, those created by the two photocells AC voltages are amplified by the amplifiers V1, V2 and V3 Amplifier v3 and subsequent rectification received control voltages U51 and US2 the amplification factors of amplifiers V1 and V2 can be changed, Just make sure that this happens in the same way in both amplifiers.

Damit läßt sich das Verhältnis von E1 bzw 22 bei großer einfallender Intensität-Imax und kleiner Intensität Imin kleiner gestaltem als das Verhältnis der beiden Intensitäten selbst. In this way, the ratio of E1 or 22, given a high incident intensity Imax and a low intensity Imin, can be made smaller than the ratio of the two intensities themselves.

Damit wird der Arbeitsbereich des Gerätes über den Arbeitsbereich der Divisionsschaltung vergrößert.Mittels U51 und U52 läßt sich auch auf mechanischem Wege die auf die Indikatoren (Photozellen) )fallende Strahlung steuern,z.B.wenn die Strahlung zu stark wird,wird ein zusätzliches,graues filter in den Strahlengang gebracht.Außerdem kann man die Steuerspannung US1 oder U52 messen(Instrument U) und erkennt so,ob das Gerät im zulässigen Bereich arbeitet.Während die Wechselspannung rs2 unmittelbar in die Divisionssch@ltung (ev.nach Abb.6) geht muß die Wechselspannung aus Verstärker V2 gleichgerichtet (in Gl 2)und gut gesiebt werden,um dann als E1 in die Divisionsschlatung zu treten. Die aus der Divisionsschaltung tretende Wechselspannung Uw ist mir von der Temperatur abhängig und kann nach Verstärkung zur Steuerung eines prozesses verwendet werden.This means that the working area of the device is superimposed on the working area The division circuit is enlarged. By means of U51 and U52 it is also possible to switch to mechanical Ways to control the radiation falling on the indicators (photocells), e.g. if If the radiation becomes too strong, an additional, gray filter is placed in the beam path You can also measure the control voltage US1 or U52 (instrument U) and thus recognizes whether the device is working in the permissible range rs2 goes directly into the division circuit (possibly according to Fig. 6) the AC voltage must from amplifier V2 rectified (in Eq. 2) and well filtered to then be used as E1 into the division chat to kick. The one from the division circuit occurring alternating voltage Uw depends on the temperature and can after amplification can be used to control a process.

Claims

Claims 1. A measuring device for temperature rays, characterized in that that the intensities from two different wavelength ranges of the temperature radiation spectrum of the radiating body can be measured and its quotient as a measure of the temperature is formed.

2. Method for calculating a third variable from two variables electrical path, characterized by the simultaneous use of the following features: a. Use of a voltage-dependent resistor (in the following only as a resistor b. One variable is applied to the resistor as an alternating voltage. It is so small that the resistance in this area can be regarded as constant can. The second quantity is applied to the resistor as a sliding voltage, along with it the operating point on the resistance curve is changed. The third variable is the amount of alternating current flowing through the resistor or through the Voltage drop of the alternating current across the resistor is determined.

3. The method for division according to claim 2, characterized in that the characteristic curve of the resistance is e-functional and the two currents are theirs Generator voltages are proportional to @@. (ohmic)

4. Procedure for division by Claim 3, characterized in that the variable resistance is alternating current is connected as I) damping resistance of an oscillating circuit, e.g. according to Fig. 6) 5 ... measuring device for thermal radiation according to claim 1, characterized by simultaneous application the following features: a. claim 4 @@@ 3 b. the mediated to the division circuit Voltages can be proportionally regulated by two amplifiers, this is done automatically. Your process can be monitored.

L e r s e i t e