DE19615244B4 - Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung bei hoher Umgebungstemperatur - Google Patents

Abstract

Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Temperatur eines Meßobjektes, insbesondere unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innenraum eines Heißlufttrockners oder einer Wärmebehandlungsanlage, bestehend aus einem wärmeleitenden Gehäuse (1) mit einem im langwelligen Infrarotbereich strahlungsdurchlässigen Fenster (2), hinter dem gegenpolar in Reihe geschaltete Thermosäulen (3, 4) liegen, deren Drahtelemente (5) aus gegenseitig thermoelektrisch aktiven Materialien bestehen, wobei die Drahtelemente (5) etwa achsparallel in einem etwa zylindrischen Körper (6) aus einem schlecht wärmeleitenden temperaturbeständigen Material symmetrisch zueinander angeordnet sind und die Lötstellen (7, 71, 72) auf den Grundflächen (61, 62) des Körpers (6) liegen, wobei einige der hinter dem Fenster (2) liegenden Lötstellen (71, 72) durch einen strahlungsundurchlässigen Schild (8) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Fenster (2) ein Thermoelement (9) zur Erfassung der Eigentemperatur des Sensors am Schild (8) angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Temperatur eines Meßobjektes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
• Ein derartiger Sensor ermöglicht die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur von festen Werkstoffen, Materialien und Erzeugnissen insbesondere im Innern von Heißlufttrocknern und Wärmebehandlungsanlagen unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen und an Stellen, die visuell von außen nicht zugängig sind. Die durch mehrere innerhalb der Anlage in unmittelbarer Nähe der zu messenden Oberfläche angeordnete Sensoren erhaltene Kenntnis des räumlichen und zeitlichen Temperaturprofils des zu behändelnden Materials ist neben anderen Prozeßparametern eine wichtige Voraussetzung zur optimierten Prozeßführung im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Qualitätssicherung.
• In der älteren Patentanmeldung P 44 41 257.6 ist ein Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung von Temperaturen mittels Thermosäulen unter Anwendung von Werkstoffen und Bauelementen vorgeschlagen, die gegenüber Temperaturen bis zu 400°C und mehr beständig sind, so daß dies Messungen unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen ermöglicht, ohne daß Maßnahmen zur Kühlung des Sensors erforderlich sind.
• Das Prinzip dieses Sensors beruht darauf, daß die Lötstellen der Thermosäulen auf den Grundflächen eines zylindrischen Körpers aus hitzebeständigem, schlecht wärmeleitendem Material angeordnet sind, wobei die aus gegenseitig thermoelektrisch aktivem Material bestehenden Drahtelemente zwischen den Lötstellen achsparallel durch den Körper geführt werden. Eine Gruppe von Lötstellen liegt hinter einem strahlungsdurchlässigen Fenster, wobei eine andere Gruppe von Bezugslötstellen durch einen strahlungsundurchlässigen Schild gegenüber der Strahlung abgedeckt ist.
• Die Kompensation nichtstrahlungsbedingter Temperaturunterschiede zwischen den Lötstellen wird dabei dadurch erreicht, daß die gleich aufgebauten Thermosäulen gegenpolar in Reihe geschaltet werden. Zur Verbesserung der Kompensation von durch inhomogene Temperaturverteilung im Sensor verursachten Störungen werden die Thermosäulen weiter aufgeteilt in nacheinander angeordnete, wechselweise gegenpolar in Reihe geschaltete Gruppen, wobei die dem Fenster zugewandten Gruppen der Lötstellen wechselweise abgedeckt sind.
• Bei einer schnellen Änderung der Umgebungstemperatur initiiert das sich dabei temporär aufbauende Temperaturgefälle zwischen dem Bereich des Fensters mit dem Schild und den der Strahlung ausgesetzten Lötstellen einen Strahlungsaustausch, der in der Kompensationssäule eine Störung des Signals bedingt, bis sich ein neuer stationärer Zustand eingestellt hat.
• Bekannte andere Sensoren zur strahlungspyrometrischen Temperaturmessung gemäß den Druckschriften GB 867,712, GB 2 090 418 A , und US 5,059,543 haben einen anderen Grundaufbau und sind mit dem gattungsgemäßen Sensor nicht vergleichbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Sensor derart weiterzubilden, daß auch im instationären Fall während der durch Umgebungstemperaturschwankungen bedingten Änderung der Eigentemperatur eine zuverlässige Funktion gewährleistet ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
• In einer vereinfachten Ausbildung des Sensors gemäß Anspruch 2 wird auf eine Kompensations-Thermosäule verzichtet, und sowohl die strahlungssensitiven als auch die Vergleichslötstellen einer einzigen, den Sensor bildenden Thermosäule werden auf der vorderen, dem Meßobjekt zugewandten Grundfläche des Körpers angeordnet, wobei die Verbindungsdrähte zwischen den Lötstellen durch achsparallele Bohrungen über die hintere Grundfläche geführt sind.
• Zweckmäßig ist der Schild aus einem Material mit einer guten Temperaturleitfähigkeit gefertigt und steht in wärmeleitender Verbindung mit dem Fenster, wodurch eine gleichmäßige Temperatur gewährleistet ist. Für eine Annäherung an einen schwarzen Strahler ist die der Thermosäule zugewandte Seite des Schildes mit einem Pigment geschwärzt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
• Es zeigen:
• 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Sensors gemäß der Erfindung,
• 2 eine Draufsicht auf eine stirnseitige Grundfläche des Tragkörpers mit der Verteilung der Lötstellen der Thermosäulen des Sensors nach 1,
• 3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines anderen Sensors gemäß der Erfindung,
• 4 eine Draufsicht auf eine stirnseitige Grundfläche des Tragkörpers mit der Verteilung der Lötstellen der Thermosäule des Sensors nach 3.
• Auf einem zylindrischen Tragkörper 6 (1, 2) aus einem zementgebundenen leichten Silikat-Schaummaterial von 30 mm Höhe und 30 mm Durchmesser sind vier Thermosäulen 31, 41, 32 und 42 aus je sechs Thermopaaren NiCr/Ni angeordnet, deren 0,2 mm dicke Drahtelemente 5 in achsparallelen Bohrungen in diesem Körper 6 geführt werden. über den einander gegenüberliegenden Grundflächen 61 und 62 des Körpers 6 befinden sich je vierundzwanzig in vier Quadranten der Kreisfläche symmetrisch angeordnete Lötstellen 7, deren Verteilung aus 2 ersichtlich ist. Die Thermosäulen 31, 41, 32, 42 sind wechselweise gegenpolar in Reihe geschaltet, so daß sich an den Verbindungsstellen zweier benachbarter Säulen jeweils Drahtelemente aus gleichem Material treffen. In 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit schematisch nur zwei benachbarte Thermosäulen 3 und 4 dargestellt. Die strahlungssensitiven Lötstellen 71 und die Bezugslötstellen 72 befinden sich auf der dem Meßobjekt zugewandten Fläche des Körpers 6 hinter einem infrarotdurchlässigen Fenster 2 aus Bariumfluorid-Einkristall von 30 mm Durchmesser und 3 mm Dicke, wobei die Lötstellen 72 der zur Kompensation dienenden gleichgepolten Thermosäulen durch einen strahlungsundurchlässigen Schild 8 gegenüber der äußeren Strahlung abgedeckt sind. Dieser Schild 8 ist an der Innenseite mit einem Pigment geschwärzt, besteht aus 0,2-mm-Kupferblech und befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit dem Fenster 2. Erfindungsgemäß ist an diesem Schild ein Thermoelement 9 montiert, dessen Meßwert in Verbindung mit dem Signal der Thermosäulen 31, 41, 32, 42 zur Bestimmung der Temperatur des Meßobjektes dient. Die Meßvorrichtung ist in einem zylindrischen Gehäuse 1 aus Aluminium mit einer Wandstärke von 2 mm untergebracht.
• In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 besteht der Sensor aus einer einzigen Thermosäule mit sechzehn Thermopaaren, deren insgesamt zweiunddreißig Lötstellen auf der vorderen, dem Meßobjekt zugewandten Grundfläche des Körpers 6 symmetrisch in acht Sektoren der Kreisfläche gemäß 4 angeordnet sind. Die Drahtelemente 5 aus NiCr bzw. Ni von 0,2 mm Durchmesser sind zwischen den Lötstellen achsparallel durch Bohrungen im zylinderförmigen Körper 6 aus einem zementgebundenen leichten Silikat-Schaummaterial über dessen rückwärtige Grundfläche geführt. Die Abmessungen des Körpers 6 betragen 30 mm Durchmesser und 30 mm Höhe. Die Lötstellen 7, deren Verteilung auf der Grundfläche des Körpers 6 in 4 dargestellt ist, befinden sich hinter einem strahlungsdurchlässigen Fenster 2 aus Bariumfluorid-Einkristall von 30 mm Durchmesser und 3 mm Dicke. In wärmeleitendem Kontakt mit diesem Fenster 2 befindet sich an dessen Innenseite ein malteserkreuzförmig ausgebildeter Schild 8 aus 0,2-mm-Kupferblech, der innen mit einem Pigment geschwärzt ist, und an dem ein Thermoelement 9 montiert ist, dessen Ausgangssignal in Verbindung mit dem Signal der Thermosäule zur Bestimmung der Temperatur des Meßobjektes dient. Dieser Schild bedeckt die Vergleichslötstellen gegenüber der Strahlung. Der gesamte Sensor ist in einem zylindrischen Gehäuse aus Aluminium von 2 mm Wandstärke entsprechend dem Gehäuse 1 in 1 angeordnet.
• Der erfindungsgemäße Sensor kann physikalisch wie folgt erklärt werden:
  Im stationären Zustand, d. h. im Falle gleicher Temperaturverhältnisse T_F im gesamten Bereich der Frontfläche des Sensors, ist das von den in Reihe geschalteten Thermosäulen 3 und 4 erzeugte Signal U_O direkt der zwischen den nicht abgedeckten sensitiven Lötstellen 71 und dem zu messenden Objekt mit der Temperatur T_O übertragenen Strahlungsmenge φ_O proportional, d. h. entsprechend dem Strahlungsgesetz gilt (T in °K): UO ~ φO ~ T4O – T4F
• Hat jedoch der mit dem Fenster 2 in wärmeleitendem Kontakt befindliche Schild 8 eine Temperatur T_S, die von der Temperatur T_F der sensitiven Lötstellen abweicht, so hat dies einen Strahlungsübergang φ_S zwischen dem Schild und den unter dem Schild befindlichen Lötstellen 72 zur Folge. Es gilt: φS ~ T4S – T4F
• Die dadurch verursachte Signalstörung U_S ~ φ_S wird dem Signal U_O aufgrund der gegenpolaren Reihenschaltung beider Thermoketten mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert. Das verbleibende Signal beträgt: U = UO – US bzw. U ~ φO – φS
• Daraus ergibt sich U ~ T4O – T4F – (T4S – T4F ) = T4O – T4S
• Hieraus ist ersichtlich, daß das Sensorsignal U hinsichtlich der aus diesem zu ermittelnden Objekttemperatur T_O auf die Temperatur T_S des Schildes zu beziehen ist. Voraussetzung ist allerdings ein Strahlungsübergang entsprechend dem Strahlungsgesetz für den schwarzen Strahler.

Claims (4)

1. Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Temperatur eines Meßobjektes, insbesondere unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innenraum eines Heißlufttrockners oder einer Wärmebehandlungsanlage, bestehend aus einem wärmeleitenden Gehäuse (1) mit einem im langwelligen Infrarotbereich strahlungsdurchlässigen Fenster (2), hinter dem gegenpolar in Reihe geschaltete Thermosäulen (3, 4) liegen, deren Drahtelemente (5) aus gegenseitig thermoelektrisch aktiven Materialien bestehen, wobei die Drahtelemente (5) etwa achsparallel in einem etwa zylindrischen Körper (6) aus einem schlecht wärmeleitenden temperaturbeständigen Material symmetrisch zueinander angeordnet sind und die Lötstellen (7, 71, 72) auf den Grundflächen (61, 62) des Körpers (6) liegen, wobei einige der hinter dem Fenster (2) liegenden Lötstellen (71, 72) durch einen strahlungsundurchlässigen Schild (8) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Fenster (2) ein Thermoelement (9) zur Erfassung der Eigentemperatur des Sensors am Schild (8) angeordnet ist.
2. Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Temperatur eines Meßobjektes, insbesondere unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innenraum eines Heißlufttrockners oder einer Wärmebehandlungsanlage, bestehend aus einem wärmeleitenden Gehäuse (1) mit einem im langwelligen Infrarotbereich strahlungsdurchlässigen Fenster (2), hinter dem eine Thermosäule (3, 4) liegt, deren Drahtelemente (5) aus gegenseitig thermoelektrisch aktiven Materialien bestehen, wobei die Drahtelemente (5) etwa achsparallel in einem etwa zylindrischen Körper (6) aus schlecht wärmeleitendem temperaturbeständigem Material symmetrisch zueinander angeordnet sind und die Lötstellen (7) auf einer Grundfläche des Körpers liegen, wobei einige der hinter dem Fenster (2) liegenden Lötstellen (7) durch einen strahlungsundurchlässigen Schild (8) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lötstellen (7) auf der dem Fenster (2) zugewandten Grundfläche des Körpers (6) liegen und die Drahtelemente (5) zwischen den Lötstellen (7) durch achsparallele Bohrungen über die dem Fenster (2) abgewandte Grundfläche des Körpers (6) geführt sind, und daß am Fenster (2) ein Thermoelement (9) zur Erfassung der Eigentemperatur des Sensors am Schild (8) angeordnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild (8) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht und in gut wärmeleitender Verbindung mit dem Fenster (2) steht.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild (8) auf seiner Innenseite mit einem Pigment geschwärzt ist.