DE2150963A1 - Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren der Temperatur eines Infrarotstrahlung emittierenden Gegenstandes - Google Patents
Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren der Temperatur eines Infrarotstrahlung emittierenden GegenstandesInfo
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Description
Anmelder: u.V. p:; υ;»j· ÜLOEILAMPEWI^ÄBRIEKEN
nt*.. PHN- 5526
Anmeldung vom: 12·1Ο.(Ί
Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren der Temperatur eines
Infrarotstrahlung emittierenden Gegenstandes.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren der Temperatur
eines Infrarotstrahlung emittierenden Gegenstandes, insbesondere eines zylindrischen Gegenstandes, der ausser einer Verschiebung
in axialer Richtung auch eine Verschiebung in radialer Richtung vollführen kann, welche Vorrichtung ein für Infrarotstrahlung empfindliches
Detektionssystem, eine Referenrstrahlungsquelle und eine
elektronische Schaltung enthält zum Vergleichen der elektrischen
Signale, die von der vorn Gegenstand bzv. von der Referenzstrahlungequelle
herrührenden Strahlung in dem Detektionssyptem erzeugt werden.
Des MeKsen und Kontrollieren der Temperatur sich bevegender
langgestreckter zylindrischer Körper ist ein in der Industrie hä'ufig auftretende.·? Problem. Es ergibt fiich insbesondere
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bad
— X - ' -Γ
> X ίι^ι · JJt ·) φ
beim Ziehen von Fasern oder Mikrokanälen aug Glas oder Kunptstoffdrähten,
εονΐβ beim Ziehen von Metalldrähten und beim Bekleiden
von elektrischen Drähten oder Fernsprechleitungen mit Kunststoff.
Eine genaue Kontrolle der Temperatur poll dann auf einem oft veichen und spröden Material durchgeführt verdien, das
mit grosser Geschwindigkeit bewegt vird* Das Material ist dabei
bestimmten mechanischen Spannungsbedingungen unterworfen. Die Maschine
kann nicht stillgesetzt werden, ohne dass ihre Wirkung be-
k einträchtigt vird. Es ist wichtig, dass die Temperatur schnell gemessen
werden kann, damit sie, venn sie falsch ist, nacheingestellt oder automatisch nachgeregelt werden kann.
Es kann auch wichtig sein, dass man die Qualität des
hergestellten Drahtes kennt. Venn der Draht ein elektrischer Leiter ist, ist es von Bedeutung, die Strukturabveichungen dadurch zu
lokalisieren, dass die ausserordentlich warmen oder kalten Punkte
dieses Drahtes lokalisiert werden, venn dieser Draht von einem konstanten Strom durchflossen vird, wozu auch wieder die Temperatur
gemessen und kontrolliert werden muss.
' . Dieser Mess- und Prüfvorgang kann nicht mit Hilfe bekannter üblicher Mittel, wie auf der Oberfläche der Dr Kh te?· an gebrachter
thermoelektrischer Elemente, durchgeführt werden. Die Gegenstände, deren Temperatur gemessen werden soll, weisen im allgemeinen
geringe Abmessungen auf, und das Vorhandensein thermoelektrischer Elemente auf ihrer Oberfläche würde die zu messende
Temperatur stören. Ihre Bewegungen erschweren überhaupt die Anvendurg
solcher thermoelektrischer Elemente.
Die Tatsache, dass dio betrachteten zylindrischen Körper, z.B. Drähte, die sich in Richtung ihrer Achse bewegen und
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sich manchmal auch langsam um dieselbe Achse drehen, sich auf unregelmäßige Veine quer zur Achsenrichtung über einen Abstand
verschieben, der z.B. zehrmal grosser als der Durchmesser ist, hat zur Folge, dass der Messvorgang viel komplizierter vird .
Die Temperatur könnte dadurch gemessen verden, dapc die von
Körper emittierte Infrarotstrahlung bestimmt wird. Ein derartiges
Verfahren vürde ohne besondere Vorkehrungen unvermeidlich grosse
Fehler veranlassen, veil dabei der Emissionsfaktor, d.h. das Verhältnis
zvischen der Helligkeit des reellen Körpers und der eines schvarzen Körpers bei derselben Temperatur, genau bekannt sein muss. Der
Emissionsfaktor ist aber oft nur annähernd bekannt und kann sich ausiserdem infolge atmosphärischer Bedingungen längs des zylindrischen
Körpers ändern. Für Metalldrähte ist der Emissionsfaktor niedrig, vras die Genauigkeit erheblich beeinträchtigen oder sogar das Verfahren
unbrauchbar machen könnte. *
Die Erfindung hat den Zweck, eine auf die Emission von Infrarotstrahlung ansprechende Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren
der Temperatur langgestreckter zylindrischer Körper zu schaffen, die
mit grosser Genauigkeit wirkt, vährend das Ergebnis dieses Mess- und
Prüfvorgangs von radial gerichteten Bewegungen des zylindrischen Körpers unabhängig ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daos die Referenzstrahlungsquelle durch einen mit einer
Oeffnung vergebenen und als schwarzen Strahler wirkenden Hohlraum gebildet vird, innerhalb dessen der Gegenstand bewegt verden kann}
daps zvischen der Oeffnung und dem Detektionssystem ein erstes bewegbares
strahlungsreflektierendes Element angeordnet ist, das
in einer ersten Lage nur von dem Kohlraun herrührende Strahlung und
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F.PEN.
in einer zveiten Lage von dem Hohlraum sovie von dem Gegenstand
herrührende Strahlung auf das Detektionssystem richten kann; und dass ein .optoelektronisches System zum Detektieren der beiden
erwähnten Lagen vorgesehen ist, wobei die elektrischen Ausgangsimpulse des optoelektronischen Systems dazu benutzt werden können,
in der elektronischen Schaltung das vom Detektionssyatem gelieferte
Signal zu bemustern. In dieser Vorrichtung verschiebt sich der zylindrische Gegenstand gegen einen Hintergrund, der sich wie ein
schvarzer Körper bekannter und gleichmSssiger Helligkeit verhält,
quer zu einem parallelen optischen Bündel mit einem bestimmten Querschnitt. Der Teil der von dem Hintergrund emittierten und von dem
zylindrischen Gegenstand abgeschirmten Strahlung sovie der vom zylindrischen Gegenstand emittierte Teil der Strahlung" sind der
sichtbaren Oberfläche des erwähnten Gegenstandes in dem vom Detektor
abgetasteten Feld proportional. Wenn - ungeachtet der Lage des Gegenstandes in dem Feld - diese Oberfläche konstant "bleibt, ist
der Unterschied zwischen den oben betrachteten Strahlungen von den Emissionakennlinien und der Temperatur des schwarzen Strahlers
und des zylindrischen Gegenstandes abhängig und von der Lage dieses Gegenstandes in dem Feld unabhängig. Dieser Strahlungsunterschied
ist in einem Sonderfall gleich null, und zwar wenn der zylindrische Gegenstand und der schwarze Heferenzhintergrund die gleiche Temperatur
aufweisen. Dies gilt sogar, wenn sich die sichtbare Oberfläche des zylindrischen Gegenstandes in dem Feld ändern wird. So kann auch die
Temperatur eines langgestreckten zylindrischen Gegenstandes mit einem niohtkreisförmigen Querschnitt, der ausser einer Bewegung im Feld
auch eine rotierende Bewegung vollführt, gemessen werden. Dies gilt auch für langgestreckte Gegenstände, deren Querschnitt in der Achsen-
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richtung variiert. Die Temperatur kann mit Hilfe eines Nullverfahrens
gemessen und kontrolliert werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der»
Fig. 1a und 1b schematisch eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der
Erfindung zeigen,
Fig. 2 die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht, und
Fig. 3 das elektrische Blockschaltbild dieser Vorrichtung
zeigt. .
In diesen Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Draht, dessen Temperatur
gemessen werden soll. Dieser Draht wird senkrecht zu der Zeichnungsebene mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung verschoben.
Der Draht wird über einen schmalen Spalt 2 in einen rohrförmigen Raum 3 eingeführt, der in bezug auf seinen Durchmesser lang
ist und der eine gleichmässige Temperatur aufweist, die geändert
werden kann. Die Innenwand des Rohres weist einen hohen Emissionsfaktor auf. Aus einer Oeffnung 4» die etwa tialbweg3 der Länge des
Rohres liegt, kann Strahlung austreten. Diese Strahlung kann mit Hilfe eines optischen Systems beobachtet werden, das u.a. einen
flachen Spiegel 5 enthält, der um eine Achse 6, die sich parallel
zu der Achse des rohrförmigen Raumes 3 und somit zu der Achse des Drahtes 1 erstreckt, schwingen kann. In dem Gang der vom Spiegel 5
reflektierten Strahlung iet eine konvergierende Linse 7 aus einem
für Infrarotstrahlung durchlässigen Material, z.B. Germanium, ange-
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bracht. In dem Bildbrennpunkt dieser Linse ist die empfindliche
Oberfläche eines für Infrarotstrahlung empfindlichen Detektors 8 angeordnet, dessen Ausgangsklemmen mit 10 bezeichnet sind. Dieser
Detektor kann gegebenenfalls z.B. mit Hilfe eines Dewar-Gefäseea 5
abgekühlt werden.
/ Um eine von der Länge des Drahtes unabhängige Messung
' zu sichern, ist zwischen dem Spiegel 5 und der Linse 7 eine rechteckige
Blende 11 angeordnet, deren Ränder 12 und 13 (siehe Fig. Tb)
zu der Achse des Drahtes senkrecht sind. Infolgedessen liegt die
^ . beobachtete Länge des Drahtes fest. Dieser Draht wird gegen die
Hintergrundstrahlung beobachtet, die von der Wand des Rohres 3 herrührt. Infolge der Schwingung des Spiegels 5 werden zu verschiedenen
Zeitpunkten verschiedene Teile dieses Feldes der Hintergrundatrahlung
beobachtet. In Fig. 1b sind zwei solche Feldteile mit 14 und 15 bezeichnet.
Bei einem kreisförmigen Querschnitt des Drahtes übt eine Drehung des Drahtes um seine Achse keinen Einfluss aus. Dann
ist die geometrische Ausdehnung des optischen Bündels, der einerseits durch die Oberfläche des-Detektors und andererseits durch den
in dem vom Detektor beobachteten Feld befindlichen Teil des Drahte3 bestimmt wird, von der Lage des Drahtes in diesem Feld unabhängig.
Dies gilt ebenfalls für die von dem Rohr 3 emittierte Hintergrundstrahlung,
die von dem Draht abgeschirmt wird, und für die von den Draht emittierte Strahlung. Damit die von derselben Stelle herrührende
effektive auf den Detektor gerichtete Strahlung von der Lage des Drahtes in dem Feld unabhängig ist, ist es ausßerdem erforderlich,
dass die Infrarotdurchlässigkeit der Linse 7 konstant ist. Die? kann
dadurch erreicht werden, dass eine Linse mit einer verhältnisrnässig
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kleinen Apertur gewählt wird..
In Fig. 1a sind weiter eine Anzahl nachstehend noch zu "beschreibender Teile dargestellt, und zwar eine Lichtquelle 16 und
zwei photoelektrische Zellen 17 und 18, die in derselben Brennebene
der Linse I9 angeordnet sind, derart, äas3 durch Reflexion auf der
Rückseite des schwingenden Spiegels 5 und durch Fokussierung und
Autokollimation mit Hilfe von I9 ein Bild der Lichtquelle 16 abwechselnd
auf den Zellen 17 und 18 erzeugt wird.
In Fig. 2 sind die Lage des analysierten Feldes als Funktion der Zeit sowie die Lage des Drahtes in bezug auf dieses
Feld dargestellt. D bezeichnet die Breite des Feldes, d_ die Breite
des Drahtes. Die Querlage des Drahtes"kann sich in der Zeit ändern,
aber es wird angenommen, dass diese Aenderung, gleich wie die
Schwingung des Spiegels, innerhalb bestimmter Grenzen bleibt.
In dem Ausführungsbaiapiel ist die zulässige Querverschiebung
des Drahtes kleiner als D - ä und ist die maximale Verschiebung
des analysierten Feldes in der üTcane des Drahtes grosser
als D. Es können dann zwei äusaerste Lagen des Spiegels 5 angegeben
werden, und zwar eine Lage, in der der Draht völlig in dem analysierten
Feld liegt, und eine'andere Lage,in der der Draht völlig ausserhalb
des analysierten Feldes liegt.
Die elektrischen Signale, die von dem Infrarotdetektor zu den Zeitpunkten abgegeben werden, zu denen der Spiegel diese Lagen
einnimmt, aind auf der Unterseite der Fig. 2 dargestellt. Die Zeit
ist als Abszisse und die Grosse der elektrischen Signale ist als Ordinate aufgetragen. Diese Signale werden mit Hilfe einer in Fig. 3
blockschematisch gezeigten elektronischen Schaltung miteinander
verglichen.
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I« dieser Figur bezeichnet 8 den Infrarotdetektor,
während 20 einen Verstärker mit einer Bandbreite von" z.B. 10 - 1000 Hz
für eine Schwingungsfrequenz des Spiegels von 100 Ez bezeichnet. Zwei Tore 21 und·22 werden abwechselnd während einer kurzen Zeit-,
spanne von Ί msec, von Signalen geöffnet, die von den photoelektrischen
Zellen 1? und 18 herrühren (siehe auch Fig. 1a). Diese Photozellan
werden über die Linse I9 und den schwingenden Spiegel 5 von der Lichtquelle
16 bestrahlt. Der Unterschied zwischen den Signalen an den Ausgängen der Tore 21 und 22 wird durch den Helligkeitsunterschied
zwischen dem Draht und dem rohrförmigen Raum bestimmt. Die Ausgangssignale
der Tore 21 und 22 werden in der Schaltung 23 miteinander
verglichen und dann verstärkt. Die weitere Verarbeitung ist von Fall zu Fall verschieden und hängt von der Art des Drahtes ab. Nachstehend
werden einige Verarbeitungsbeispiele beschrieben, die mit Hilfe der Teile 24, 25 und 26 der Vorrichtung nach Fig. 3 durchgeführt werden
können.
Wenn A den Absorptionsemissionsfaktor des Drahtes,
L1 die Helligkeit eines schwarzen Körpers bei der reellen Temperatur
des Drahtes und L die Helligkeit des als schwarzer Strahler wirkenden Raumes dargestellt, ist die Helligkeit des DrahteB L»j
Lf - A L«a + (1-A) Ln
und ist die Helligkeit des Signals nach Bemusterung:
und ist die Helligkeit des Signals nach Bemusterung:
L « Lf - Ln = A(L'n-Ln) (1).
Die Grosse L1 ,die Temperaturinformation Über den Draht
enthält, kann nur von L und. L hergeleitet werden, wenn A bekannt ist.
Andererseits ist die absolute Ungewissheit über L' umso grösaer,
je nachdem L1 -L grosser ist, d.h., je nachdem die Temperaturabweichung
zwischen dom Draht und dem rohrförmigen Raum grosser ist.
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Verschiedene Fälle sind denkbar»
1. Die Temperatur eines Metalldrahtes soll gemessen und
kontrolliert werden. Für einen Metalldraht iat A niedrig. A wird durch die geringsten Oberflächenunterschiede, Verschmutzungen und Oxydation
"beeinflusst. Es ist von Bedeutung, dass L1 -L niedrig und sogar
nahezu gleich null ist, gleich wie L. Es kann dann ein Nullverfahren Anwendung finden. Das von 23 herrührende Signal kann dann dazu verwendet
werden, die Temperatur T des rohrförmigen Raumes mit Hilfe des Teiles 24 zu regeln, so dass diese Temperatur gleich der des
Drahtes wird. Dies lässt sich durch Steuerung eines Rheostats erzielen,
der einen Teil des Erhitzungskreises des als schwarzer Strahler wirkenden Körpers 3 bildet. Das von 23 herrührende Signal kann auch dazu
benutzt werden, mit Hilfe des Teiles 25 die Temperatur des Drahtes
derart zu regeln, dass diese gleich der des Raumes wird.,Dies kann
durch Steuerung des Motors, mit dessen Hilfe der Draht gezogen wird, erfolgen, derart, dass der Draht die Temperatur eines Vorerhitzungsraumes
annehmen kann. Diese beiden Verfahren können auch angewandt werden, falls die Drähte keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen,
oder sogar wenn ihr Querschnitt nicht absolut konstant ist. Ab das Signal gleich null ist oder nicht, wird durch die Gleichheit in der
Temperatur des Drahtes und des Raumes bestimmt und ist von der sichtbaren Oberfläche des Drahtes in dem analysierten Feld unabhängig.
2. Die Temperatur eines Drahtes, dessen' Emissionsfaktor
hoch und wenig veränderlich ist, z.B. eines Drahtes aus einem organischen Material oder einem feuerfesten Oxyd, wie Glas, soll genau
-geraessen und kontrolliert werden. In diesem Falle braucht die Temperatur des rohrförmigen Raumes nicht mehr in der Nähe der Temperatur
des Drahtes zu liegen. Das vom Teil 23 herrührende Signal kann
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einem Messgerät zugeführt werden, das die Temperatur des Drahtes
anzeigen kann; dieses Messgerät ist z.B. ein Galvanometer. Beim Eichen des Messgerätes werden die Temperatur des Raumes, der Emissionsfaktor
und der Durchmesser des Drahtes berücksichtigt.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung
kann ein Temperaturunterschied in der Grössenordnung von 10C mit einen
■befriedigendem Signal-Rauachverhältnis und mit einer Ansprechzeit
von ·Γ£Γ~ Sekunde gemessen werden. Die Bemusterung ermöglicht ea,
den Mittelwert der Ergebnisse über längere Perioden zu erhalten, die
eine bessere Abtastung des Signals im Falle einer noch immer verhältnis-
V *
massig langsamen Steuerung gestatten. Mit einer Geaamtbeobachtungsdauer
in der Grössenordnung von Sekunden kann eine Ternperaturabweichung
von weniger als 0,1 *C angezeigt werden.
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Claims (5)
1.J Vorrichtung zum Messen und Kontrollieren der Temperatur
eines Infrarotstrahlung emittierenden Gegenstandes, inabesondere
eines zylindrischen Gegenstandes, der ausser einer Verschiebung in axialer Richtung auch eine Verschiebung in radialer Richtung vollführen
kann, welche Vorrichtung ein for Infrarotstrahlung empfindliches
Detektionssystera, eine Referenzstrahlungsquelle und eine
elektronische Schaltung enthält zum Vergleichen der elektrischen Signale, die von der von dem Gegenstand Tjzw. von der Referenzstrahlungsquelle
herröhrenden Strahlung im Detektionssystem erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstrahlungsquelle durch einen
mit einer Oeffnung versehenen und als schwarzen Strahler wirkenden Hohlraum gebildet wird, innerhalb dessen der Gegenstand bewegt werden
kann; dass zwischen der Oeffnung und dem Detektionssystem ein erstes bewegbares strahlungsreflektierendes Element angeordnet ist, das in
einer ersten Lage nur von dem Hohlraum herrShrende Strahlung und in
einer zweiten Lage von dem Hohlraum sowie von dem Gegenstand herrührende Strahlung auf das Detektionssystem richten kann; und dass
ein optoelektronisches System zum Detektieren der beiden erwähnten Lagen vorgesehen ist, vobei die elektrischen Ausgangs impulse des
optoelektronischen Systems dazu verwendet werden können, in der elektronischen Schaltung das vom Betektionssystem gelieferte Signal
zu bemustern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronische System nacheinander eine Strahlungsquelle,
ein synchron mit dem ersten strahlungsreflektierenden Element
bewegbares zweites strahlungsreflektierendes Element und zwei
stralilungsempfindliuhe Detektoren enthält.
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P. PHlJ. 5526.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine von dem elektronisch bearbeiteten Signal gesteuerte
Erhitzungsvorrichtung, die die Temperatur des Hohlraumes gleich der des Gegenstandes machen kann.
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«ft
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