DE202004004402U1 - Temperature device for measuring the temperature on elongated objects like wires, fibers, pipes and tapes with any cross sections and forms guides the object to be measured in a hollow space - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Temperatur von lang gestreckten Objekten, insbesondere von Drähten, Fasern und dünnen Rohren mittels Infrarot Strahlungspyrometrie.The The invention relates to an arrangement for contactless measurement of the temperature of elongated objects, especially wires, fibers and thin Pipes using infrared radiation pyrometry.
Die berührungslose Temperaturbestimmung von Fasern und Drähten mittels Infrarot Pyrometrie weist verschiedene Probleme auf. Zum einen besitzen blanke Metall-Oberflächen einen sehr niedrigen Emissionsgrad, sodass im Wesentlichen die Umgebungstemperatur detektiert wird.The contactless Temperature determination of fibers and wires using infrared pyrometry different problems. On the one hand, bare metal surfaces have one very low emissivity, so essentially the ambient temperature is detected.
Zum anderen weisen optische Pyrometer einen Messfleck von endlicher Größe auf.To the others, optical pyrometers have a measurement spot of finite Size up.
Drähte mit einem kleineren Durchmesser füllen daher das Messfeld nicht vollständig aus. Geringe Schwankungen in der Position, z.B. durch Schwingungen bei in Längsrichtung bewegten Objekten, führen zu hohen Abweichungen der angezeigten Temperaturen.Wires with fill a smaller diameter therefore the measuring field is not complete out. Slight fluctuations in position, e.g. through vibrations at lengthways moving objects excessive deviations of the displayed temperatures.
Die Verwendung eines Hintergrund-Strahlers, der auf die Solltemperatur des Drahtes geregelt wird, bringt eine gewisse Verbesserung, schränkt aber auf Grund seiner thermischen Masse die Ansprechzeit der Messanordnung ein. Dabei wird ein Hintergrundstrahler hinter oder neben dem zu messenden Objekt platziert und die Temperatur des Objektes mit einem Infrarot Strahlungspyrometer gemessen. Füllt das Messobjekt den Messfleck nicht vollständig aus und weicht die Strahlertemperatur vom gemessenen Wert ab, so wird der Hintergrundstrahler solange nachgeregelt, bis Objekt und Hintergrundstrahler wieder dieselbe Temperatur aufweisen.The Using a background emitter, which is regulated to the target temperature of the wire brings a some improvement but limits due to its thermal mass, the response time of the measuring arrangement on. A background emitter is behind or next to it measuring object and the temperature of the object with a Infrared radiation pyrometer measured. The measurement object fills the measurement spot not completely and the lamp temperature deviates from the measured value, so the background emitter is readjusted until the object and Background heaters have the same temperature again.
Im Patent DE4114367 wird die Positionsschwankung des Drahtes dadurch behoben, dass mittels einer Zylinderlinse ein lang gestrecktes Messfeld erzeugt wird, dessen Längsachse senkrecht zum Draht ausgerichtet wird. Positionsschwankungen auf Grund von Schwingungen haben dadurch keinen Einfluss auf die Temperaturbestimmung. Da kommerzielle Pyrometer Emissionsgrade < 0,1 nicht verarbeiten können, ist diese Technik nur für Objekte mit hohem Emissionsgrad und bei höheren Temperaturen anwendbar.in the Patent DE4114367 is the position fluctuation of the wire fixed that an elongated measuring field by means of a cylindrical lens is generated, its longitudinal axis is aligned perpendicular to the wire. Position fluctuations due to of vibrations have no influence on the temperature determination. Since commercial pyrometers cannot process emissivities <0.1 this technique only for Objects with high emissivity and at higher temperatures can be used.
Im Patent EP0058806 wird eine Anordnung beschrieben, bei der der Draht in einem geschwärzten Hohlraum geführt wird. Der Hohlraum ist mit 2 Öffnungen versehen, durch die mittels eines Choppers das Objekt abwechselnd direkt und indirekt vermessen wird.in the Patent EP0058806 describes an arrangement in which the wire in a blackened Cavity led becomes. The cavity is with 2 openings provided, by means of which the object is alternated by means of a chopper is measured directly and indirectly.
Im Patent DE2326465, DE2241310 wird das zu messende Objekt in einem hemisphärisch ausgebildeten Hohlraum geführt, der als Hintergrundstrahler wirkt. Mit Hilfe eines im Hohlraum angeordneten rotierenden bzw. oszillierenden Spiegels wird abwechselnd Objekt und Hintergrund vermessen und die Signaldifferenz ausgewertet.in the Patent DE2326465, DE2241310 the object to be measured is in one hemispherically trained Cavity led, that acts as a background emitter. With the help of a rotating arranged in the cavity or oscillating mirror alternately becomes object and background measured and the signal difference evaluated.
Im Gebrauchsmuster DE20022572 wird ein Faden durch Spiegelsegment derart vergrößert, dass es dem effektiven Messfleck eines gegenüber angeordneten Pyrometers entspricht. Diese Anordnung ist empfindlich gegenüber Verschiebungen der Faser aus dem Bereich der optischen Abbildung. Die Temperaturmessung hoch reflektierender Metalldrähte ist damit nicht möglich.in the Utility model DE20022572 becomes a thread through a mirror segment enlarges that it the effective measuring spot of a pyrometer arranged opposite equivalent. This arrangement is sensitive to shifts the fiber from the field of optical imaging. The temperature measurement highly reflective metal wires is not possible with it.
Die Verwendung eines Quotientenpyrometers, das die oben beschriebenen Probleme nicht aufweist, ist aus technischen Gründen auf Temperaturen über 300°C limitiert. Blanke Metall-Drähte, die Emissionsgrade < 0,1 besitzen, sind damit nicht zu vermessen, da die Höhe des absoluten Signals nicht mehr ausreicht.The Using a ratio pyrometer that described the above If there are no problems, it is limited to temperatures above 300 ° C for technical reasons. Bare metal wires, the emissivities <0.1 possess, are not to be measured with it, since the height of the absolute Signal is no longer sufficient.
Zum Einsatz kommen auch häufig Systeme, bei denen mittels eines Wärmeflusssensors der Wärmefluss zwischen Objekt und einer Referenz mit bekannter Temperatur ermittelt wird. Die Referenz wird solange geregelt, bis der Wärmefluss zum erliegen kommt. Die Messung erfolgt prinzipiell kontaktlos, wobei die Wärmeübertragung von Objekt zur Referenz über Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion erfolgt. Auch diese unter dem Sammelbegriff 'Convective Heatflow' (CHF) bekannten Systeme sind auf Grund der thermischen Masse der Referenz sehr träge und liegen in der Größenordnung von mehreren Sekunden.To the They are also used frequently Systems in which the heat flow by means of a heat flow sensor determined between object and a reference with known temperature becomes. The reference is regulated until the heat flow comes to a standstill. The measurement is basically contactless, whereby the heat transfer from object to reference Heat conduction, Radiation and convection takes place. These are also known under the collective term 'Convective Heatflow' (CHF) Systems are very sluggish due to the thermal mass of the reference in the order of magnitude of several seconds.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die beschriebenen Probleme, indem das zu messende Objekt mit einer hoch verspiegelten Oberfläche ummantelt wird. Im Inneren des entstandenen Hohlraumes kommt es zu Vielfachreflexionen, die zu einer Erhöhung des effektiven Emissionsgrades führen. Die genaue Form des Hohlraumes spielt eine untergeordnete Rolle, z.B. lassen sich runde, rechteckige oder elliptische Querschnitte einfach realisieren. Jedoch sollte das Verhältnis der optisch wirksamen Oberflächen von Objekt und Ummantelung möglichst klein gehalten werden, sodass eine möglichst hohe Verstärkung des Emissionsgrades bzw. eine möglichst hohe Anzahl von Vielfachreflexionen erreicht wird.The The present invention eliminates the problems described by encased the object to be measured with a highly mirrored surface becomes. There are multiple reflections inside the resulting cavity, leading to an increase of the effective emissivity. The exact shape of the cavity plays a subordinate role, e.g. round, rectangular or elliptical cross sections simply realize. However, the ratio of the optically effective surfaces of object and casing if possible be kept small so that the highest possible amplification of the Emissivity or the highest possible Number of multiple reflections is reached.
Eine definierte optische Abbildung ist zu vermeiden, sodass das Messsignal in weiten Bereichen unabhängig von der Position des Drahtes ist.A Defined optical imaging should be avoided so that the measurement signal largely independent from the position of the wire.
Auf Grund der an jeder Oberfläche auftretenden Streuung kommt es zur Ausbildung einer homogenen Strahlungsverteilung innerhalb des Hohlraumes. Bei Bedarf kann dies durch eine aufgeraute Oberfläche, z.B. sandgestrahlte Oberfläche, unterstützt werden. Experimente belegen aber, dass dies nicht notwendig ist.Due to the scattering that occurs on each surface, a homogeneous radiation distribution is formed within the cavity. If necessary, this can be done by a roughened Surface, eg sandblasted surface, are supported. However, experiments show that this is not necessary.
Das sich im Inneren des Hohlraumes aufbauende Strahlungsfeld wird mit einem geeigneten Messinstrument (z.B. einem Infrarot Strahlungspyrometer) gemessen und gemäß der Planck'schen Formel in eine Temperatur umgerechnet.The radiation field building up in the interior of the cavity a suitable measuring instrument (e.g. an infrared radiation pyrometer) measured and according to Planck's formula into a Converted temperature.
Da die Strahlung direkt detektiert und ausgewertet wird, ist die Ansprechzeit des Systems nur durch die Charakteristik des Detektors begrenzt und liegt bei einigen Millisekunden.There the response time is the radiation is directly detected and evaluated of the system is limited only by the characteristics of the detector and is a few milliseconds.
Die
Intensität
der Strahlung innerhalb des Hohlraumes lässt sich unter der Annahme
abschätzen,
dass sich innerhalb des Hohlraumes ein homogenes Strahlungsfeld
ausbildet, und dass zu dieser Strahlung nur die Oberfläche des
Drahtes und des ummantelnden Hohlraumes beiträgt. Die von den beiden Oberflächen abgestrahlte
Leistung ist dann:
- Dabei bedeuten:Mean:
- ΦStr: abgestrahlte LeistungΦ Str : radiated power
- Φ(T): Strahldichte bei der Temperatur T nach PlanckΦ (T): Radiance at the temperature T according to Planck
- ε: Emissionsgradε: emissivity
- A: FlächeA: area
- Obj: Index ObjektObj: Index object
- H: Index Hohlraum H : index cavity
Die
Intensität
der Strahlung innerhalb des Hohlraumes steigt dadurch an. Gleichzeitig
entziehen beide Oberflächen
dem Strahlungsfeld Energie durch Absorption:
- α: Absorptionsgradα: absorptance
- ΦAbs: absorbierte LeistungΦ Abs : absorbed power
- ΦGl: Strahldichte im GleichgewichtΦ Gl : radiance in equilibrium
Nach
dem sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat, sind beide Beträge gleich;
weiterhin gilt nach dem Kirchhoffschen Gesetz α = ε. Vom Detektor wird die Strahlungsintensität ΦGl gemessen. Definiert man nun einen effektiven
Emissionsgrad gemäß: und entsprechend ergibt sich
aus Gleichung 2:
Die Temperatur des Hohlraumes ist bekannt bzw. kann einfach mit einem Temperaturfühler ermittelt werden. Moderne Strahlungspyrometer bieten die Möglichkeit eine extern erfasste Referenz Temperatur einzulesen und gemäß 4) bei der Berechnung der Objekttemperatur zu berücksichtigen.The Temperature of the cavity is known or can easily be done with a temperature sensor be determined. Modern radiation pyrometers offer the possibility to read in an externally recorded reference temperature and according to 4) the calculation of the object temperature.
Beispielexample
Vermessung
eines Cu-Drahtes von 0,6mm Durchmesser, der in einem Hohlraum mit
rundem Querschnitt und einem Durchmesser von 2 mm geführt wurde.
Es ergeben sich dann:
Gleichung 3.) wird damit zu:equation 3.) becomes:
Die Innenfläche des Hohlraumes ist mit Gold verspiegelt und weist einem Emissionsgrad von 0,04 auf. Der Emissionsgrad von Kupfer beträgt nach Literaturangaben 0,04. Der effektive Emissionsgrad hängt dann nur vom Durchmesser des Drahtes und des Hohlraumes ab und ergibt sich zu 0,23.The Inner surface the cavity is mirrored with gold and has an emissivity from 0.04 to. According to the literature, the emissivity of copper is 0.04. The effective emissivity depends then only from the diameter of the wire and the cavity and results to 0.23.
Bei Vergleichsmessungen mit einem CHF System wurde bei einem am Pyrometer eingestellten Emissionsgrad von 0,2 eine Übereinstimmung der angezeigten Temperatur von CHF und dem Infrarot Strahlungspyrometer festgestellt. Während mit dem Infrarot Strahlungspyrometer schnelle Änderungen der Drahttemperatur detektiert werden konnten, vermochte das CHF System diesen nicht mehr zu folgen.at Comparative measurements with a CHF system were carried out on a pyrometer set emissivity of 0.2 a match of the displayed Temperature of CHF and the infrared radiation pyrometer determined. While Rapid changes in wire temperature with the infrared radiation pyrometer the CHF system was unable to detect it more to follow.
Technisch lassen sich Reflexionsgrade > 0,995 erzeugen, was einem Emissionsgrad von 0,005 entspricht. Der effektive Emissionsgrad ergibt sich dann unter zu Grunde Legung der obigen Geometrie zu:Technically reflectivities> 0.995 generate, which corresponds to an emissivity of 0.005. The effective one The emissivity is then based on the above Geometry to:
Die Verwendung einer ummantelnden hoch reflektierenden Oberfläche wirkt also als Emissionsgradverstärker und macht damit die Vermessung auch hoch reflektierender Materialien möglich.The Using a sheathed, highly reflective surface works so as an emissivity amplifier and thus also measures highly reflective materials possible.
Erläuterung der Abbildungen:explanation of the pictures:
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