DE19633950C2 - Prüfstrahler zur Kalibrierung von Infrarotdetektoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfstrahler zur Kalibrierung von Infrarotdetektoren, insbesondere für Heißläufer- und Festbremsortungsanlagen.

Stationäre, im Schienenverlauf installierte Heißläuferortungsanlagen bzw. Festbremsortungsanlagen sind gemäß einschlägigen Vorschriften in bestimmten Zeitabständen auf ihre ordnungsgemäße Funktion zu überprüfen.

Für eine derartige Überprüfung werden Infrarotgeber verwendet, welche als Heizstäbe oder Heizplatten ausgebildet sind und in der Regel unmittelbar in der Nähe eines Radsatzes angebracht sind. Derartige, rollende Simulatoren, welche ein heißes Lager und damit einen Heißläufer simulieren sollen, sind beispielsweise in der US-PS 4 878 437 beschrieben. Die Funktionskontrolle unter Verwendung derartiger Simulatoren unterliegt einer Reihe von Störungseinflüssen und insbesondere Verzerrungen durch Luftströmungen.

In der EP 0 670 255 A1 ist bereits ein Prüfgerät für die Kalibrierung von Heißläufer- und Festbremsortungsanlagen mit einem Infrarotstrahler beschrieben, bei welchem mit einem einzigen Gerät mehrere Funktionen und unterschiedliche Geometrien von Heißläuferortungsanlagen bzw. Festbremsortungsanlagen sicher erfaßt und kalibriert werden können. Die hier vorgeschlagene Einrichtung umfaßt eine Lagerung für wenigstens einen Infrarotstrahler, welcher in einem Gehäuse verschiebbar geführt ist und in der jeweiligen Verschiebelage festlegbar ist. Je nach Verschiebelage des Infrarotstrahlers können somit unterschiedliche Einstrahlpositionen simuliert werden und eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen werden.

Für die Prüfung und Betriebskontrolle von Infrarotstrahlungsmeßsystemen, und im besonderen für Systeme für die Erkennung warmer Maschinen- und Fahrzeugteile bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten sind aber extrem große Temperaturunterschiede für die Kalibrierung zu berücksichtigen. Beispielsweise muß eine Heißläuferortungsanlage bei vergleichsweise niederen Temperaturen kalibriert werden, wohingegen Festbremsortungsanlagen die Erfassung dunkelrot glühender Meßobjekte, wie beispielsweise von Bremsscheiben, erfordern. Eine Kalibrierung derartiger Infrarotstrahlungsmeßgeräte im Bereich zwischen 30 und 600°C mit nur einem Prüfstrahler ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Die Anforderungen an einen derartigen Prüfstrahler zielen darauf ab, Temperaturen im Bereich zwischen 30 und 600°C nicht nur mit hoher Genauigkeit einzustellen und durch geeignete elektrische Heizelemente und elektronische Regler auf die vorgewählte Temperatur konstant zu regeln, sondern auch darauf, die Abstrahlungsdichte über die gesamte Meßfläche möglichst konstant zu halten. Im Temperaturbereich bis ca. 180°C sind Strahler der eingangs genannten Art bekannt, die aus einer elektrischen Heizplatte bestehen, welche eine Metallplatte auf einer Seite von innen heraus aufheizt. An der Metallplatte ist ein Temperaturfühler angebracht, der die jeweils gemessene Temperatur als Regelgröße in der Temperaturregelschaltung zur Verfügung stellt.

Die Oberfläche derartiger Metallplatten ist in der Regel entsprechend den Forderungen an den Emissionsgrad der strahlenden Meßfläche behandelt oder gefärbt. Unter normalen Umgebungsbedingungen ist die Alterung der Oberflächenbehandlung im Temperaturbereich bis ca. 180°C gering, womit auch der Emissionsgrad in einem vorgegebenen Rahmen konstant bleibt. Erhebliche Probleme ergeben sich bei Strahlern, die auf Temperaturen bis zu 600°C aufgeheizt werden müssen. Derartige Temperaturen sind erforderlich, um dunkelrot glühende Meßobjekte, wie Bremsscheiben im Zusammenhang mit einer Festbremsortungsanlage nachbilden zu können. Bereits bei Temperaturen bis 450°C ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten, wenn die Oberflächen der Metallplatten altern. Die Gleichmäßigkeit des Temperaturverlaufs über die Strahlerfläche verringert sich mit der Veränderung des Emissionsgrades. Die bisherigen Infrarotstrahler mit strahlenden Metallplatten können die geforderten Bedingungen nicht hinreichend garantieren.

Aus der DE 26 24 729 A1 ist ein elektrisch beheizter keramischer Infrarotstrahler mit einer in die keramische Masse eingebetteten Heizwendel und einem auf der Strahlerrückseite vorgesehenen Anschlußstutzen bekannt. Bei diesem Infrarotstrahler ist zur Erreichung einer hohen Wärmeleistung bei gutem Wirkungsgrad die in dem Keramikkörper eingebettete Heizwendel auf etwa 60 mm Strahlerbreite in mindestens acht parallel zueinander verlaufen­ den Bahnen angeordnet.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Prüfstrahler der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher über einen Temperaturbereich von 30 bis 600°C zuverlässige Prüfnormale für die jeweilige Meßtemperatur zur Verfügung stellt und dessen Abstrahlungsdichte über die gesamte Meßfläche bei beliebigen Temperaturen über die Zeit konstant bleibt. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße Prüfstrahler der eingangs genannten Art im wesentlichen darin, daß der Strahler aus einem Keramikkörper besteht. Durch die Verwendung von keramischem Material für die Strahlerfläche anstelle des bisher üblichen Metalls für die Strahlerfläche und insbesondere anstelle der bekannten Ausbildungen mit geschwärztem Aluminium, Messing oder Kupfer, wird ein Grundkörper mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften zur Verfügung gestellt, welcher sich in beliebiger Geometrie, und insbesondere plattenförmig, leicht herstellen läßt. Von besonderem Vorteil ist hierbei der Umstand, daß die keramische Masse selbst so ausgebildet sein kann, daß sie einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, und somit unmittelbar auch als direktes Heizelement zum Einsatz gelangen kann. Mit Vorteil ist hierbei die Ausbildung so getroffen, daß der Strahler aus elektrisch leitfähiger Siliziumcarbidkeramik besteht, welche an den Seitenkanten oder den Stirnflächen elektrisch kontaktiert ist. Eine derartige Ausbildung erlaubt es, durch entsprechende Formgebung die gewünschte Konstanz der Abstrahlung über die Fläche einzustellen. Siliziumcarbidkeramik weist hierbei den gewünschten geringen elektrischen spezifischen Widerstand im Bereich von unter 10 Ohm/cm mm² auf. Die Oberfläche derartiger Siliziumcarbidkeramik ist gleichmäßig dunkelgrau bis anthrazitfarben und in der Regel leicht gerauht, sodaß sich ein gutes Abstrahlverhalten ergibt. Die Wärmeleitfähigkeit ist überaus hoch, wobei gleichzeitig ein extrem geringer Ausdehnungskoeffizient gewährleistet ist, sodaß z. B. rot glühendes Material in kaltes Wasser getaucht werden könnte, ohne daß es hierbei seine Form verändert oder zerstört würde. Die Oberfläche zeigt über einen langen Zeitraum einen konstanten Emissionsgrad, sodaß Alterungseigenschaften, wie sie bei bekannten Infrarotstrahlern zu beobachten sind, hier nicht auftreten. Um die gewünschte Temperatur über die gesamte Fläche bei derartigen Siliziumcarbidkeramikkörpern zu gewährleisten, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, daß der plattenförmige Keramikkörper seitliche Einschnitte unter Ausbildung einer mäandrierenden Leiterbahn aufweist. Durch die seitlichen Einschnitte können unterschiedliche Querschnitte, ebenso wie eine mäanderförmige Leiterbahn und damit ein längerer Stromweg erreicht werden, sodaß Einschnür- oder hot-spot-Effekte vermieden werden.

Erfindungsgemäß kann der Keramikkörper aber auch indirekt beheizt werden, wobei die Ausbildung bevorzugt so getroffen ist, daß ein Heizdrahtwickel kraftschlüssig und elektrisch isoliert gegen die Rückseite des Strahlerkörpers bzw. der Strahlerplatte gepreßt ist. Ein derartiger Heizdrahtwickel aus einer Widerstandsheizwendel zeichnet sich durch besonders kompakte Baumaße aus, wobei die Widerstandsheizanordnung in besonders einfacher Weise so ausgebildet werden kann, daß der Heizdrahtwickel von unter Zwischenlage eines elektrisch isolierenden Keramikvlieses spiralförmig gewickeltem Heiz-Flachdraht gebildet ist. Ein derartiger Flachdraht kann in einfacher Weise spiralförmig gewickelt werden, und es wird unmittelbar ein besonders hohes Maß an mechanischer Stabilität des Strahlers gewährleistet. Durch die Strahlerplattenstärke des Keramikkörpers wird die Wärme gleichmäßig zur vorderen Abstrahlfläche hin verteilt, sodaß auch hier die Ausbildung von hot-spots, d. h. punktueller Wärmenester, durch die Temperaturvergleichmäßigung innerhalb des sehr gut wärmeleitenden Keramikkörpers verhindert wird.

Durch die Wahl des leicht herstellbaren und leicht formbaren Keramikkörpers als Strahler lassen sich, wie bereits eingangs erwähnt, beliebige Strahlungsoberflächen ausbilden und dadurch die Simulation bestimmter Bauteile, welche in der Folge vom Infrarotdetektor überwacht werden sollen, verbessern. In einfacher Weise kann die Ausbildung hierbei beispielsweise so getroffen sein, daß der Strahlerkörper eine sphärisch gekrümmte Frontfläche aufweist, wodurch gekrümmten Bauteilen Rechnung getragen werden kann. Um zu verhindern, daß Heizenergie unkontrolliert dissipiert, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, daß die der Frontfläche bzw. Abstrahlfläche abgewandte Rückseite des Strahlers bzw. des Heizdrahtwickels mit wärmedämmendem Material abgedeckt ist.

Anstelle der eingangs genannten Siliziumcarbidkeramik kann insbesondere dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit nicht erzielt werden soll, da eine indirekte Heizung vorliegt, auch auf andere, ähnliche keramische Materialien zurückgegriffen werden. Mit Vorteil kann hierbei der Strahler aus hochtemperaturfester Siliziumoxidkeramik bestehen. Um eine entsprechende Regelung der Temperatur zu gewährleisten, kann der Strahler an seiner Frontfläche bzw. im Keramikkörper ein Widerstandsthermometer tragen, wodurch die entsprechende Regelung der Temperatur erleichtert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine erste Ausbildung eines Strahlerelementes, Fig. 2 eine abgewandelte Ausbildung, Fig. 3 eine indirekt beheizte Ausführung eines Prüfstrahlers in der Seitenansicht, Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IV der Fig. 3, Fig. 5 eine kombinierte Ausbildung, bei welcher ein Strahler nach Fig. 1 mit einer Ausbildung nach Fig. 3 oder 4 kombiniert wird, Fig. 6 eine spezielle Ausbildung eines indirekt beheizten Infrarotprüfstrahlers, Fig. 7 eine Ansicht des Strahlers nach Fig. 6 in Richtung des Pfeiles VII der Fig. 6 und Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Infrarotstrahlers in seiner Einbaulage in einem entsprechenden Strahlergehäuse.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Siliziumkeramikgrundkörper bezeichnet, welcher die Strahlerseite darstellt. Der Keramikkörper besteht aus elektrisch leitfähiger Siliziumcarbidkeramik und ist an den Seitenkanten quer zur Abstrahlfläche 2 mit Stromzuführungen 3 und 4 kontaktiert. Die entsprechenden Kontaktflächen an der Strahlerplatte sind mit 5 und 6 an den beiden Stirnseiten bezeichnet.

Bei der Ausbildung nach Fig. 2 weist die Keramikplatte laterale Einschnitte 7 auf, wodurch ein mäandrierender Verlauf des Stromweges erzielt wird. Durch den längeren Stromweg können Einschnür- oder hot-spot-Effekte vermieden werden. Die Kontaktflächen 5 und 6 können, ebenso wie bei der Ausbildung nach Fig. 1, metallisiert ausgebildet sein. Es kann aber auch ein federnder Druckkontakt verwendet werden, da die Übergangsfläche relativ klein ist.

Die Ausbildung nach den Fig. 3 und 4 zeigt eine Strahleranordnung mit indirekter Heizung durch eine Widerstandsheizwendel. Die Stromzuleitungen sind wieder mit 3 und 4 bezeichnet, wobei an der der Abstrahlfläche 2 angewandten Seite der keramischen Strahlerplatte 1 eine spiralförmig gewickelte elektrische Widerstandsheizanordnung 8 vorgesehen ist. Die Widerstandsheizanordnung besteht bevorzugt aus Flachdraht und liegt elektrisch isoliert unter Zwischenschaltung von Isolationsmaterial an der Rückseite der Strahlerplatte 1 an. Eine derartige elektrische Isolierung kann naturgemäß entfallen, wenn die verwendete Keramik nicht elektrisch leitfähig ist. Über die Strahlerplattendicke wird die Wärme gleichmäßig zur vorderen Abstrahlfläche 2 verteilt, sodaß auch bei punktuellen Wärmenestern bzw. hot-spots des Widerstandsheizelementes der Temperaturverlauf der Abstrahlfläche in den erforderlichen Grenzen konstant bleibt.

Bei der Ausbildung nach Fig. 5 ist ein Infrarotstrahler nach Fig. 1 mit der Konstruktion entsprechend Fig. 3 verbunden, wobei hier naturgemäß die entsprechende elektrische Isolierung zwischen der Heizspirale 8 und dem Keramikkörper 1 gewährleistet sein muß. Die Keramikplatte 1 mit den Kontaktflächen 5 und 6 ist hierbei in Serie mit der Heizspirale 8 geschaltet, wobei Strom über die Leiter 3 und 4 zugeführt wird.

An elektrische Widerstandsheizkörper an der Rückseite einer Strahlerfläche werden immer besondere Anforderungen gestellt. Der Widerstandsheizkörper soll möglichst über seine gesamte Fläche zum Strahler hin konstanten Wärmefluß gewährleisten. Andererseits soll aber nach der entgegengesetzten Seite, also nach der dem Strahler abgewandten Seite, möglichst wenig Wärme abgegeben werden. In Fig. 6 und 7 ist eine derartige Ausbildung im Detail näher erläutert. Es wird als Heizdraht ein Flachdraht beispielsweise mit den Dimensionen 2 × 0,1 mm eingesetzt, wobei dieser Heizdraht spiralförmig unter Zwischenlage eines Keramikvlieses gewickelt wird. Die spiralförmige Wicklung unter Zwischenlage des Keramikvlieses wird so vorgenommen, daß insgesamt eine Form erzielt wird, bei welcher der fertige Heizwickel die Fläche des Strahlers an seiner Rückseite vollständig ausfüllt. Der flache Heizdraht läuft über einen Anschluß 10 in den Wickel 13 hinein. Mit 12 sind Streifen aus dünnem Keramikvlies bezeichnet, welche die elektrische Isolierung der Windungen voneinander und zum Strahler 1 bewirken. Gleichzeitig kann dieses Keramikvlies auch eine thermische Isolation zur Rückseite hin gewährleisten. Von der äußeren Heizdrahtlage aus führt ein Anschluß 11 weiter.

In der Darstellung nach Fig. 8 ist eine vollständige Infrarotmeßstrahleranordnung im Schnitt ersichtlich. Über Bohrungen 13 und 14 eines thermisch hochisolierenden, porösen Keramikkörpers 15 werden die elektrischen Leiter zugeführt. Die Strahlerplatte 1 liegt in einem Bett des thermisch hochisolierenden, porösen Keramikkörpers 15. In einem Hohlraum 16 kann der Heizdrahtwickel 13 bzw. 8 untergebracht werden, wobei mit 17 eine Kammer bezeichnet ist, welche eine Anpreßvorrichtung aufweist. Diese Anpreßvorrichtung stellt sicher, daß ein Heizdrahtwickel an die Strahlerplatte 1 angepreßt wird. Die elektrischen Anschlüsse an der Rückseite sind wiederum mit 3 und 4 bezeichnet. Ein Metallgehäuse 18 bildet einen mechanischen Schutz für die Anordnung, welche bereits die entsprechende Wärmedämmung enthält.

Claims (9)

1. Prüfstrahler zur Kalibrierung von Infrarotdetektoren, insbesondere für Heißläufer- und Festbremsortungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler aus einem Keramikkörper besteht.

2. Prüfstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler aus elektrisch leitfähiger Siliziumcarbidkeramik besteht, welche an den Seitenkanten oder den Stirnflächen elektrisch kontaktiert ist.

3. Prüfstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige Keramikkörper seitliche Einschnitte unter Ausbildung einer mäandrierenden Leiterbahn aufweist.

4. Prüfstrahler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizdrahtwickel kraftschlüssig und elektrisch isoliert gegen die Rückseite des Strahlerkörpers bzw. der Strahlerplatte gepreßt ist.

5. Prüfstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdrahtwickel von unter Zwischenlage eines elektrisch isolierenden Keramikvlieses spiralförmig gewickeltem Heiz-Flachdraht gebildet ist.

6. Prüfstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlerkörper eine sphärisch gekrümmte Frontfläche aufweist.

7. Prüfstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Frontfläche bzw. Abstrahlfläche abgewandte Rückseite des Strahlers bzw. des Heizdrahtwickels mit wärmedämmendem Material abgedeckt ist.

8. Prüfstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler aus hochtemperaturfester Siliziumoxidkeramik besteht.

9. Prüfstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler an seiner Frontfläche bzw. im Keramikkörper ein Widerstandsthermometer trägt.