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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Geräteeinheit zur Erfassung von
Wärmestrahlung,
insbesondere zur Temperaturmessung, aufweisend zumindest eine in
einem schwenkbeweglichen Gehäuse
befindliche thermische Sensoreinrichtung und eine Lüftungseinrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Geräte zur Erfassung
von Wärmestrahlung, wie
Pyrometer, Infrarotzeilenkameras und Infrarotkameras, die auf Grund
einer Rotations- oder Translationsbewegung ein mehrfaches ihrer
strahlungsempfindlichen Sensorfläche
erfassen können,
werden als thermische Sensoren in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt,
um kontinuierlich thermische Prozesse zu überwachen. Mit der Infrarottechnologie
lassen sich auf einfache Weise thermische Informationen zu Produktqualität oder Effizienz
der Produktion erfassen, die mit herkömmlichen Methoden, wie Thermoelementen
oder Kameras, nicht oder nur unzureichend erfasst werden können.
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Situationsbedingt
sind die Infrarot-Sensoreinrichtungen bei der Überwachung thermischer Prozesse
dadurch meist einer großen
Temperaturbelastung ausgesetzt. Insbesondere dann, wenn eine größere Sensorfläche als
die der Sensoreinrichtung erfasst werden soll, muss die Sensorik
bewegt werden. Üblich
ist es dabei, einen Sensor, z. B. eine Thermokamera, mit einer Scaneinrichtung
zu verbinden und hierüber
die Position der Thermokamera zu steuern. Da die Thermokamera aufgrund
ihrer Eigenschaften normalerweise eine Umgebungstemperatur größer 60° C nicht überschreiten
darf, wird diese zumindest durch Luft gekühlt, da die Umgebungstemperatur
oft sehr hoch ist.
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Beispielsweise
bei der Papierproduktion, muss aus Qualitätsgründen das Temperaturprofil einer
Glättwalze
auf Gleichmäßigkeit
hin überwacht werden.
Dazu wird die Walze abgescannt und während des Scannensvorgangs
der Walze ein Temperaturprofil aufgezeichnet. Hierbei herrschen
extreme Wärme,
Feuchtigkeit und Schmutz. Irgendwann verschmutzen die Kabel und
alle zum Kamerasystem gehörigen
beweglichen Teile, so dass sich die Kamera nicht mehr bewegen kann
oder durch Überhitzung beschädigt oder
gar zerstört
wird.
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Weiterhin
soll mit einer Luftspülung
sichergestellt werden, dass äußere Einflüsse wie
Staub oder produktionsbedingte Verschmutzungen verhindert werden.
Schmutzige Umgebungsbedingungen liegen beispielsweise bei Müllverbrennungsanlagen
oder Kokslöschanlagen
vor, so dass Schmutz an das Objektiv der Sensoreinrichtung gelangt.
Aus diesem Grunde wird bei den zurzeit auf dem Markt befindlichen
Systemen die Luft über
einen beweglichen Luftschlauch zu der Sensoreinrichtung geführt. Ebenso muss
die Stromversorgung und das Sensorsignal über eine bewegliche Kabelverbindung
zu der Sensorik geführt
werden. Luftschlauch und Kabel sind somit dauerhaft einer höheren Umgebungstemperatur
ausgesetzt. Darüber
hinaus sind diese Kabel- bzw. Schlauchverbin dungen mechanisch sehr
aufwendig ausgeführt,
damit sie für
einen Dauerbetrieb über
Jahre hinweg störungsfrei
funktionieren.
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Nachteilig
hierbei ist, dass schlechte Erfahrungen hinsichtlich des Kamera-Bewegungsantriebes
gemacht wurden, da dass Gesamtgewicht des Messsystems für den Dauerbetrieb über Jahre
hinweg zu hoch ist. Dies ergibt sich auch dadurch, dass die außen liegenden
Kabel bzw. Schläuche
mitbewegt werden müssen.
An den außen
liegenden Kabeln und Luftversorgungsleitungen liegt klimatisch infolge
Sommer-/Winterbetrieb und heiße
bzw. feuchte Produktionsbedingungen, z.B. bei der Überwachung des
Löschvorganges
glühender
Kohle, heiße
Walzen bei der Papierproduktion usw., bedingt, eine hohe Temperaturlast
an. Die Luftversorgungsschläuche und
Kabel halten eine gewisse Zeit, aber dann kommt es zu Rissen in
den Leitungen und die Sensoreinrichtung und deren Antriebsaggregate
und Elektronik verschmutzt. Varianten, bei denen die Optik statt
mit Luft durch einen an der Sichtfläche der Kamera angebrachten
Scheibenwischer sauber gehalten werden, schmieren meist, was zu
Sichtproblemen und zur Messwertverfälschung führt. Das Überwachungssystem wird dadurch
sehr störanfällig.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Geräteeinheit zur Erfassung von
Wärmestrahlung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die alle umweltsensitiven
Elemente, wie Elektronik, Sensorik, Kabel usw., vor extremer Tempera turbelastung
und vor aggressiven Medien schützt
und mechanische Belastungen vermindert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine übermäßige Temperatur-
und Schmutzbelastung die Funktion einer thermische Sensoreinrichtung
nachhaltig schädigt
oder zerstört, eine
dauernde Luftumströmung
der thermischen Geräteeinheit
jedoch diese Nachteile beseitigt.
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Diese
Aufgabe wird demnach dadurch gelöst,
dass dem die Sensoreinrichtung aufnehmenden schwenkbeweglichen Gehäuse ein
feststehendes Basisgehäuse
zugeordnet ist, in welches Stromversorgungs- und Signalkabel sowie
zumindest ein Luftzuführschlauch
münden,
und dass das Basisgehäuse
und das die Sensoreinrichtung aufnehmende Gehäuse über ein die Stromversorgungs-
und Signalkabel und die zugeführte
Luftströmung
aufnehmendes und als Drehachse dienendes Verbindungsrohr miteinander
verbunden sind.
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Das
Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Geräteeinheit basiert somit darauf,
dass die Luft zentral über
das komplette System im Inneren der Geräteeinheit geführt und
zentral an der Drehachse vom feststehenden Geräteteil, dem Basisgehäuse, zum
beweglichen Geräteteil,
dem die Sensoreinrichtung aufnehmenden schwenkbeweglichen Gehäuse, übergeben
wird. In dem als Drehachse dienenden Verbindungsrohr werden auch
die Stromversorgungs- und Signalkabel geführt.
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Besonders
vorteilhaft ist hierbei, dass die Kabelverbindungen durch die drehachsensymmetrische Aufhängung im
Verbindungsrohr zwischen beweglichem Gehäuse und Basisgehäuse nur
leicht verdreht werden und somit beinahe keiner mechanischen Belastung
ausgesetzt sind.
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Das
komplette System einschließlich
der Kabel werden durch die zentral gekühlte Luft ständig gekühlt und
die Luft wirkt außerdem
noch durch das Freiblasen der Optik der Sensoreinrichtung gegen eine
Verschmutzung und damit verbundene Funktionsstörung der Sensorik.
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Der
Einbau der Geräteeinheit
in ein Gesamtsystem ergibt, dass keine freiliegenden Kabel und Elektronik
mehr vorhanden sind. Die gesamte Geräteeinheit ist komplett geschützt und
funktioniert in einer extrem rauen und robusten Umgebung, ohne dass
die Geräteeinheit
teuer oder aufwändig
herzustellen ist. Durch die Luft umströmte Kühlung kann sich das Gerätegehäuse problemlos
auf etwa 150°C erhitzen.
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Somit
verfügt
dieses Gerät über eine
extrem lange Standzeit. Der robuste und wartungsfreie Aufbau der
Geräteeinheit
ist hervorragend z.B. für
die Brandüberwachung
in Müllbunkern
geeignet. Durch das integrierte Kühl- und Freiblassystem arbeitet
die Geräteeinheit
auch bei extrem rauen Umgebungen, in denen schmutzpartikelhaltige
Dämpfe
auftreten.
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Die
Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der
Erfindung.
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Somit
kommen als Sensoreinrichtungen Pyrometer, Zeilen-, Infrarot-, Bildkameras oder dergleichen
in Betracht.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Basisgehäuse und
dem die Sensoreinrichtung aufnehmenden schwenkbeweglichen Gehäuse ein
Drehlager angeordnet. Dadurch ist das die Sensoreinrichtung aufnehmende
Gehäuse in
einer horizontalen Ebene um 360° rotierbar,
so dass auf Grund dieser Bewegungsmöglichkeit ein Mehrfaches der
strahlungsempfindlichen Sensorfläche
erfasst werden kann.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass das Drehlager mit einem Kippmechanismus
zur Neigung des die Sensoreinrichtung aufnehmenden Gehäuses in
einer vertikalen Ebene versehen ist.
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Um
die die Rotations- und Kippbewegung des die Sensoreinrichtung aufnehmenden
Gehäuses zu
ermöglichen,
ist dieses durch ein vorzugsweise in das Basisgehäuse integriertes
Antriebselement, vorzugsweise durch einen Mikroprozessor gesteuerter Schrittmotor,
steuerbar.
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Damit
auch die Steuereinheit für
das Antriebselement vor extremen Temperaturen, Schmutz und Feuchtigkeit
geschützt
wird, ist nach einer Weiterbildung der Geräteeinheit die Steuereinheit
für das
Antriebselement im Basisgehäuse
untergebracht.
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Schließlich ist
am Basisgehäuse
mindestens eine Öffnung
für die
Stromversorgungs- und Signalkabel sowie für den Luftzuführschlauch
ausgebildet.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind. Der
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nicht nur durch die Ansprüche definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das
in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Die Zeichnungsfigur
zeigt eine erfindungsgemäße Geräteeinheit
zur Erfassung von Wärmestrahlung.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnung
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Die
Geräteeinheit 1 umfasst
zunächst
ein schwenkbewegliches Gehäuse 2,
in der eine thermische Sensoreinrichtung 3, z.B. ein Pyrometer,
eine Zeilenkamera oder eine Infrarotkamera, untergebracht ist. Das
schwenkbare Gehäuse 2 besitzt
eine Sichtöffnung 4, über die
das Signal eines nicht näher dargestellten
Messobjektes auf die Sensoreinrichtung 3 trifft, wie dies
durch die fett gezeichneten Pfeile dargestellt ist.
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Unterhalb
des die Sensoreinrichtung 3 aufnehmenden schwenkbeweglichen
Gehäuses 2 befindet
sich ein feststehendes Basisgehäuse 5,
das mittels eines Drehlagers 6 rotierbar mit dem die Sensoreinrichtung 3 aufnehmen den
schwenkbeweglichen Gehäuses 2 in
Wirkverbindung steht.
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Nur
teilweise gezeichnete elektrische Versorgungs- und Signalleitungen 7,
schematisch als Pfeil A dargestellt, sind im Inneren des Gehäuses 2 derart
verlegt, dass sie so nah wie möglich
entlang der Drehachse im Mittelpunkt des Drehlagers 6 über ein
Verbindungsrohr 8 in den Innenraum des Basisgehäuses 5 gelangen.
Der Abstand zwischen dem Verbindungsrohr 8 und der Bodenplatte
des Basisgehäuses 5 ist
derart ausgeführt,
dass die Datenübertragungs-
bzw. Versorgungs- und Signalleitungen 7 nicht geknickt
werden. Das Drehlager 6 ermöglicht eine Drehung des schwenkbeweglichen
Gehäuses 2 mit
der integrierten thermischen Sensoreinrichtung 3 um bis
zu 360°.
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Gegebenenfalls
kann zusätzlich
das Gehäuse 2 durch
einen nicht näher
gezeigten vertikalen Kippmechanismus, der in das Drehlager 6 integriert werden
kann, in seiner horizontalen Neigung verändert werden. Diese vertikale
Neigung kann ebenso wie die Drehbewegung des Gehäuses 2 durch ein Antriebselement 9 erfolgen.
Eine Möglichkeit,
die Rotations- und Kippbewegung des Gehäuses 2 zu erzeugen
ist die Verwendung Mikroprozessor gesteuerter Schrittmotoren, die
eine exakte Position ansteuern können.
Als Antriebselement 9 sind aber auch andere bekannte Antriebe
möglich.
Eine Steuereinheit 10 für
das Antriebselement 9 ist in das Basisgehäuse 5 montiert,
um die bewegte Rotationsmasse der Geräteeinheit zu verringern.
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Kühlluft für die komplette
Geräteeinheit 1 wird über eine Öffnung 11 für einen
Luftzuführschlauch
B, schematisch als Pfeil dargestellt, dem Basisgehäuse 5 zugeführt, gelangt
dann über
das Verbindungsrohr 8 in das die Sensoreinrichtung 3 aufnehmende
Gehäuse 2 und
verlässt
dieses über die
Sichtöffnung 4.
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Die
Datenübertragungs-
bzw. Versorgungs- und Signalleitungen 7 gelangen von einer
im Basisgehäuse 5 befindlichen Öffnung 12 ebenso über das Verbindungsrohr 8 zur
Sensorik. Alle beweglichen Leitungen 7 befinden sich demnach
im Inneren der Geräteeinheit 1.
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Die
Luft übernimmt
somit die Kühlung
der Geräteeinheit 1 einschließlich der
Versorgungsleitungen 7. Gleichzeitig wird sie noch für das Freispülen der
Sensoroptik verwendet und verhindert damit ein Verschmutzen der
Sensoroptik, das durch Staub und andere Produktionsverschmutzungen
verursacht wird. Dadurch ist ein wartungsfreier Dauerbetrieb sichergestellt.
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Zur
Ortungsunterstützung
kann es sinnvoll sein, das eine modifizierte Geräteeinheit 1 zusätzlich eine
Bild gebende Kamera 13 zusätzlich zur Sensoreinrichtung 3 besitzt.
Die elektrische Leitungen 7 werden in diesem Falle ebenso
wie bei der Sensorik durch das Verbindungsrohr 8 geführt.
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- 1
- Geräteeinheit
- 2
- Schwenkbewegliches
Gehäuse
- 3
- Thermische
Sensoreinrichtung
- 4
- Sichtöffnung
- 5
- Basisgehäuse
- 6
- Drehlager
- 7
- Versorgungs-
und Signalleitungen
- 8
- Verbindungsrohr
- 9
- Antriebselement
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Öffnung
- 12
- Öffnung
- 13
- Bild
gebende Kamera