DE2214586A1

DE2214586A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche

Info

Publication number: DE2214586A1
Application number: DE19722214586
Authority: DE
Inventors: Thomas Patrick Pittsburgh Pa. Murray (V.St.A.). GOIw 1-00
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1971-03-25
Filing date: 1972-03-24
Publication date: 1972-10-05
Also published as: BR7201720D0; AU466865B2; ES401193A1; NL7203910A; ZA721746B; BE780953A; US3759102A; FR2130490A1; FR2130490B1; GB1387060A; IT954527B; CA946179A; AU4006172A

Description

DIPL.-ING. A. GRÜNECKER «x» MOKCi = ENs;

DR.-ING. H. KINKELDEY ^Z^mwZir u

DR.-ING. W. STOCKMAIR. Ae. E. (cAi.r ,mst o,■-w.cnn., ' T«-!e_Sranimc Mortal Mii.Sch«

PAT KNTANWALTE ^{TcIbx 0}S"²⁸³'-'³

P 4639 ■ ^ ■ ^: ^SJi

USS MCxINEERS AWD CONSULTANTS, INC»

600 Grant Street, Pittsburgh, Pennsylvania., USA

Vorrichtung zur Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sur Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche aufgrund der von letzterer ausgehenden Strahlung, die durch eine störende Substanz geschwächt wird, was Anzeigefehler am Detektor hervorruft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche, vor allem auch in Fällen, in denen die von der Fläche auf eine Temperaturmeßeinrichtung fallende Wärmestrahlung gestört wird, insbesondere zur Bestim mung der wahren Oberflächent'emperatur von Stahl während eines Varmwalzvorganges, bei dem stets Dämpfe auftreten, welche die auf ein Pyrometer fallende Wärmestrahlung schwächen.

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Bankkonten: H. Aufi.äuser, München 173 5'i3 · Dcjisdie Bank, MCwhen Ii 25078 · Po:tsche-Kkcnlo München 46212

Für einen optimalen Betrieb eines VJarmbandgerüsts ist eine genaue Kenntnis der wahren Endtemperatur (finishing temperature) wesentlich. Da die Strahlung durch Dampf, Sprühnobel, Staub, Rauch usw. geschwächt wird, müssen derartige Substanzen aus dem Strahlengang zwischen der Warmbandoberfläche und dem Pyrometer entfernt werden, bevor die Temperatur genau gemessen werden kann. Wenn diese störenden Substanzen nicht beseitigt werden, findet eine Absorption und/oder eine Zerstreuung der Strahlung statt, so daß die Strahlungsstärke bis zum Erreichen eines Detektors herabgesetzt wird und dieser daher eine niedri gere als die tatsächliche Oberflächentemperatur anzeigt. Unter den in der Umgebung eines Warmbandgerüsts gewöhnlich vorhandenen Bedingungen ist es nicht möglich, eine Tempe- · raturbeStimmung ohne jegliche Strahlungsschwächung durchzuführen.

Die Größe des Fehlers, der unter derartigen Umständen bei der TemperäturbeStimmung auftritt, ist von der Art des verwendeten Strahlungsdetektors und der Art der störenden Substanz abhängig. Unter den angegebenen Bedingungen werden Verhältnis- oder Zweifarben-Pyrometer durch eine Störung im Strahlengang viel weniger stark beeinflußt als Gesamtstrahlungs- oder Ein-Band-Pyrometer. Alle zur Verfugung stehenden Verhältnis-Pyrometer haben jedoch bestimmte Nachteile, die ihre Verwendung für die Messung von Endtemperaturen in Wamrbandgerüsten ausschließen. Fotovervielfacher können nicht stabil geeicht werden. Die derzeit zur Verfugung stehenden Verhältnis-Pyrometer mit Siliziumzellen können nur Temperaturen ab etwa 790 C aufwärts anzeigen, so daß die Messung der Endtemperatur, die gewöhnlich bei etwa 85O°C liegt, meistens mit sehr niedrigen Ausgangspegeln durchgeführt wird.

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Bleisulfid-Verhältnis-Pyrometer werden zwar durch eine Linsen-Verschmutzung weit weniger beeinträchtigt als das viel einfachere, "billigere und stabilere Ein-Band~Pyrometer mit einer Siliziumzelle, sind aber gegenüber Dampf ebenso empfindlich wie dieses. Man hat auch schon versucht, bei der TemperaturbeStimmung Fehler von thermoelektrischen Elementen durch Schichten mit unterschiedlichen Warmewiderständen zu kompensieren, wie dies in der USA-Patentschrift 3 286 524- angegeben ist, doch können derartige Vorrichtungen unter denen bei Warmwalzgerüsten herrschenden Bedingungen nicht verwendet werden.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, mit einfachen und wirtschaftlichen Mitteln eine Vorrichtung zu schaffen, die eine gegebenenfalls selbsttätige Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche gerade auch dann ermöglicht, wenn die von der Fläche abgegebene Strahlung durch eine störende Substanz geschwächt wird.

Erfindungsgemäß werden zwei Pyrometer verwendet, die verschiedene Frequenzgänge haben, so daß sie auf verschiedenartige Störungen im Strahlengang verschieden stark ansprechen und daher verschieden große Anzeigefehler haben, also auch verschiedene Temperaturen anzeigen, wobei der Fehler des einen Pyrometers ein relativ gleichbleibendes Vielfaches des Fehlers des anderen Pyrometers ist und die beiden Anzeigen in einer Schaltung so vereinigt werden, daß die Anzeige des die höhere Temperatur anzeigenden 'Pyrometers korrigiert und dadurch eine Anzeige der wahren Temperatur erhalten wird. Hach der Erfindung kann ferner von der Differenz der beiden unkorrigierten Temperaturanzeigen eine An-

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zeige einer übermäßig starken, Abhilfe erfordernden Störung abgeleitet werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen ersten Strahlungsdetektor, der bei Empfang von Strahlung von der Fläche ein erstes Signal erzeugt, einen zweiten Strahlungsdetektor, der bei Empfang von Strahlung von derselben Stelle der Fläche wie der erste Detektor ein zweites Signal erzeugt und einen anderen Frequenzgang hat als der erste Detektor, wobei in dem interessierenden Temperaturbereich das Verhältnis zwischen den infolge der störenden Substanz in den beiden Signalen auftretenden Fehlern im wesentlichen konstant ist, und eine mit den Detektoren verbundene Einrichtung zur Vereinigung der genannten Signale.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und.Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer

Vorrichtung gemäß der Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm mit Kennlinien von Pyrometern zur Erläuterung des Erfindungsgedankens.

In Fig. 1 ist ein sich bewegendes Warmband 2 aus Stahl gezeigt, das an eine Temperaturmeßeinrichtung 8 Strahlung 4-abgibt, die durch in ihrem Strahlengang vorhandenen Dampf 6 geschwächt wird. Die Strahlung tritt in einen Strahlenteiler 10 ein, durch dessen Spiegel 12 ein Strahlenbündel 14- hindurchtritt und auf ein Gesamtstrahlungs-Pyrometer· 16

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fällt. Dieses besteht beispielsweise aus einem von der Firma Leeds and Northrup Corporation in North Wales (Pennsylvania, USA) unter der Bezeichnung Leeds and Northrup Rayotube hergestellten Modell 8898. Das von dem Spiegel 12 reflektierte Strahlenbündel 18 fällt auf ein zweites Pyrometer 20, beispielsweise auf ein von der Firma IRCON Data Systems, Inc., in Niles (Illinois, USA) unter der Bezeichnung IRCON Silicon Cell Pyrometer hergestelltes Modell 11X2. Ein Ausgang 22 des Pyrometers 20 wird an einem Eingang eines Linearisators 24-, z.B. des von der Firma IRCON Data Systems, Inc., in Niles (Illinois, USA) unter der Bezeichnung IRCON Linearizer hergestellten Modells SC11X-2S angelegt. Ein Ausgang 26 des Linearisators 24 und ein Ausgang 28 des Pyrometers 16 werden einem Schreiber 30 zugeführt, beispielsweise dem von der Firma Leeds and Northrup Corporation in North Wales (Pennsylvania, USA) unter der Bezeichnung Leeds and Northrup Speedomax G Strip Chart Recorder hergestellten Gerät. Der Ausgang 26 wird ferner an einen Spannungsteiler 32 angelegt, dessen Ausgang ein Drittel des Betrages von Ausgang 26 hergibt. Der Ausgang des Spannungsteilers wird an ein Anzeigeinstrument 34 im Sinne einer Subtraktion von dem Ausgang 28 angelegt.

In den Anzeigen der beiden Pyrometer 16 und 20 können Fehler auftreten, wenn in dem Strahlengang zwischen dem Band und dem Strahlenteiler 10 Dampf 6 oder Wasser, Staub, Rauch und dgl. vorhanden ist. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei einer gegebenen Störungsart das Verhältnis der Fehler relativ konstant ist und z.B. bei den Walztemperaturen von Stahl-Warmband zwisehen dem Anzeigefehler des Pyrometers

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16 und dem Anaeigefehler des Pyrometers 20 ein konstantes Verhältnis auftritt, das beispielsweise 3:1 betragen kann.

Ein solches experimentell ermitteltes Verhältnis kann durch eine theoretische Berechnung bestätigt werden. Dieser Berechnung sei eine Ausgangskurve für ein Pyrometer mit einer Siliziumzelle zugrundegelegt, wobei die Spannung (in Millivolt) in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen ist. In einem begrenzten Teil dieser Kurve, insbesondere innerhalb des interessierenden Temperaturbereichs, entspricht diese Kurve der Beziehung:

V= κ ε τ¹

(ι)

Dabei ist V der Ausgang in Millivolt, K und η sind Konstanten, £ ist das Emissionsvermögen (emittance) des Strahlers und T ist die Temperatur in ⁰K.

Wenn das Wiensche Gesetz anwendbar ist, d.h., wenn e '' » 1 ist, wobei C₂ = 1,4-38 cm.°K, λ die Wellenlänge

in cm und T die Temperatur in ⁰K ist, kann man die Ausgangskurve auch durch die Formel

-CJlT

(2)

angeben, in der K. eine Konstante ist.

Durch Differenzieren der Gleichung (1) erhält man

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JJurch Differenzieren der Gleichung (2) ergibt sich

r Ort·.-

Nach Division der Gleichung (3) durch die Gleichung ("Ό erhält man

Eine Teilung der Gleichung (4-) durch die Gleichung (2) führt zu

dt , Ci ar

ε Ar τ

Da die Gleichungen (5) und (6) äquivalent sind, haben die Koeffizienten von ψ- denselben Wert, d.h.

η .

Mit einer Siliziumzelle ist bei 827⁰C₁ einer üblichen Stahlendtemperatur,

L <f '3$ cut °K 11 '-=

also η =

Nun hat bekanntlich bei einem Gesamtstrahlungs-Py-rometer η etwa den Wert 5- In den Gleichungen (5) und (6) betragen die Koeffxzienten für ·=ψ dann für die Siliziumzelle 14-,5

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und für das Gesamtstrahlungs-Pyrometer 5· Im Falle einer Veränderung des Emissionsvermögens im beispielsweise 5% verändert sich somit für das Gesamtstrahlungs-Pyrometer die scheinbare Temperatur um 1%, während die von der Siliziumzelle angezeigte, scheinbare Temperatur um ■ '" ^0/'° verändert wird, d.h.,.daß das Fehlerverhältnis 2,9 :1 beträgt, was dem experimentell vermittelten Verhältnis von 3*1 sehr nahekommt. Man erkennt daraus, daß selbst bei einer Störung durch Dampf der aufgetretene Fehler zum größten Teil durch die Zerstreuung der Strahlung aus dem gewünschten Strahlengang verursacht wird und nicht durch selektive Spektralabsorption.

Dieses Verhältnis zwischen den Anzeigefehlern der beiden Pyrometer 16 und 20 wird dann wie folgt ausgewertet.

Es sei

Tg die von dem Siliziumzellen-Pyrometer 20 gemessene, scheinbare Temperatur,

T-n die von dem Gesamtstrahlungs-Pyrometer 16 gemessene,

scheinbare Temperatur und
T die wahre Temperatur.

Dann ist

^TS ^{= T}w - ^ΔΤ ⁽⁸⁾

Dabei ist A T der durch Dampf, Rauch oder Staub verursachte Anzeigefehler des Siliciumzellen-Pyrometers 20. Da der Fehler des Pyrometers 16 das Dreifache des Fehlers des Pyrometers 16 beträgt, ist

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φ — Φ

Δ τ = ^S

Vor der Anwendung der Beziehung (10) müssen die beiden
Pyrometer mit einem schwarzen Strahler und bei einem Sto.nl-Varmband auf ein Emissionsvermögen von 0,80 geeicht werden. Diese Maßnahmen sind üblich und vierden daher nicht weiter
erläutert«, Danach werden die Mi Hi volt-Ausgänge Jedes Pyrometers linearisiert. In Fig. 2 stellt die Kurve 28 den Ausgang des Pyrometers 16 in mV in dem interessierenden Temperaturbereich von etwa 760 bis 930 C dar. Diese Kurve entspricht zwar der bekannten Potenzfunktion, ist aber einem
linearen Ausgang (Kurve 28L in Fig. 2) so stark angenähert, daß man den Ausgang im dargestellten, begrenzten Temperaturbereich als linear ansehen kann.

Die Kurve 22 stellt eine typische mV-Anzeige des Pyrometers 20 dar. Der Linearisator 24 wandelt diese nichtlineare Ausgangsspannung dann in die Ausgangsspannung 26 um. Gemäß
Fig. 2 beträgt bei jeder gegebenen Temperatur die Ausgangsspannung 26 das Dreifache der Ausgangsspannung 28L, so
daß die Rechnung vereinfacht wird.

Die Gleichung (8) kann umschrieben werden, indem man anstelle von Δ T die Gleichung (10) einsetzt. Man erhält
dann

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Tw - ^T5

Wenn man anstelle der Temperaturen die Ausgangsspannungen Ya der Siliziumzelle 20 und V^ des Gesaintstrahlungs-Pyrometers 16 einsetzt, erhält man

V - 3Vs "Λ (12).

Dabei ist V die Eingangsspannung des Sehreibers 30,

.3.Vg die Ausgangsspannung 26 des Linearisators 24 und Vjj die Ausgangsspannung 28 des Pyrometers 16. Damit man nicht durch zwei zu teilen braucht, ist der Schreiber 30 so geeicht, daß seine Eingangsspannung 3Vg-Vj, einer gegebenen Temperatur entspricht.

Das vorstehend beschriebene System ist vor allem gedacht zur Korrektur von Fehlern, die durch Dampf verursacht werden. Man kann das System aber auch in Fällen verwenden, in denen andere Störungen auftreten, z.B. infolge von Staub oder Wassertröpfchen. Da manche Arten von Störungen einen Frequenzgang haben und andere Arten von Störungen zu einer Zerstreuung der Strahlung führen, muß das Fehlerverhältnis nicht unbedingt den für Dampf bestimmten Wert 3 haben. Aber auch bei einem Fehlerverhältnis von 2,3, wie es für den Durchtritt der Strahlung durch neutrale Filter (neutral screens) oder Staub typisch ist, bleibt der Anzeigefehler

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des Systems innerhalb des beim Valzen von Stahl einzuhaltenden Toleranzbereichsc Han kann diesen Fehler weitestgehend herabsetzen, indem man das optische System möglichst sauberhält.

Jeder Strahlungsdetektor wird durch Störungen im Strahlengang beeinflußt,. Wenn diese Störungen einen bestimmten Grenzwert überschreiten, treten beträchtliche Fehler auf. Zeigt das Anzeigeinstrument 34 an, daß die Differenz
zwischen den Temperaturanzeigen der beiden lyrometer einen bestimmten Grenzwert überschreitet, so ist die Störung zu groß, d.h. es muß Abhilfe geschaffen werden, damit der
Schreiber 30 die wahre Temperatur mit genügend hoher Genauigkeit aufzeichnet. Beispielsweise kann die Optik verschmutzt oder zu viel Staub bzw. Dampf vorhanden sein.
Das Anzeigeinstrument 34- kann mit einer automatischen
Alarmeinrichtung versehen sein, die anspricht, sobald die Stöi^ung den zulässigen Bereich überschreitet. Die Signale 22 und 28 lassen sich auch ohne den Linearisator 24 und
den Spannungsteiler 32 an das Anzeigeinstrument 34-· anlegen, doch erfordern die dargestellten Verbindungen keine
v/eiteren Veränderungen, weil die Signale miteinander verträglich sind.

Man kann die Gleichung (12) wie folgt umschreiben:

_β m Va - V& (13).

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Dabei ist m das Felllerverhältnis zwischen zwei Pyrometern mit den Ausgängen Vj* und V^. Diese Gleichung ist auf Jede nichtselektive oder im wesentlichen nichtselektive Störung anwendbar und auf alle Pyrometer, die auf dieselbe Störung durch verschieden große Fehler ansprechen. Wenn ein Pyrometer nicht wenigstens im interessierenden Temperaturbereich eine lineare Kennlinie hat, kann es notwendig sein, die Ausgänge beider Pyrometer zu linearisieren.

Man braucht keinen Strahlenteiler zu verwenden, sondern kann die beiden Pyrometer nebeneinander so anordnen, daß sie Strahlung von derselben Quelle empfangen. Durch den Strahlenteiler wird aber eine mögliche Fehlerquelle beseitigt, weil er gewährleistet, daß die gemessene Strahlung von ein und derselben Quelle kommt. Eine Eichung des Systems kann erforderlich sein, wenn der Strahlenteiler die an die beiden Pyrometer abgegebene »Strahlung verschieden stark schwächt.

Wenn Rechner zur Verfugung stehen, wie dies in manchen Verarbeitungsanlagen der Fall ist, kann man die erforderlichen Verknüpfungsvorgänge mit Hilfe des Computers durchführen, von dem man einerseits eine korrigierte Temperaturanzeige erhält und der andererseits im Bedarfsfalle aufgrund der Differenz zwischen den unkorrigierten Temperaturanzeigen automatisch ein Alarmsignal erzeugt, das erforderliche Abhilfe auslöst.

Durch die Erfindung wird die Zweideutigkeit beseitigt, die derzeit bei Temperaturmessungen mit Hilfe von Strahlungsdetektoren in Fällen auftritt, in denen durch Dampf, Rauch

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od.dgl. im Strahlengang Störungen verursacht v/erden können. Durch die Erfindung wird gewährleistet, daß entweder keine Störung im Strahlengang vorhanden ist oder derartige Störungen innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen und die angezeigte Temperatur der wahren. Temperatur des Strahlers entspricht.

Sämtliche aus dc-n Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und "Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrenssdiritten, können sowohl für sä cli als auch in "beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims

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Patentansprüche

(I.) Vorrichtung zur Bestimmung der wahren Temperatur einer Fläche aufgrund der von letzterer ausgehenden Strahlung, die durch eine störende Substanz geschwächt wird, was Anzeigefehler am Detektor hervorruft, gekennzeichnet durch einen ersten Strahlungsdetektor, der bei Empfang von Strahlung von der Fläche ein erstes Signal erzeugt, durch einen zweiten Strahlungsdetektor, der bei Empfang von Strahlung von derselben Stelle der Fläche wie der erste Detektor ein zweites Signal erzeugt und einen anderen Frequenzgang hat als der erste Detektor, wobei in dem interessierenden Temperaturbereich das Verhältnis zwischen den infolge der störenden Substanz in den beiden Signalen auftretenden Fehlern im wesentlichen konstant ist, und durch eine mit den Detektoren verbundene Einrichtung zur Vereinigung der genannten Signale.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnet , daß das erste Signal durch Temperaturveränderungen der Fläche im wesentlichen linear veränderbar ist und daß mit dem zweiten Detektor eine Einrichtung verbunden ist, mittels deren das zweite Signal aufgrund von Temperaturveränderungen der Fläche entsprechend dem genannten Verhältnis proportional zu dem ersten Signal veränderbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem ersten Detektor eine Einrichtung verbunden ist, mittels welcher das erste Signal

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aufgrund von Teuro eraturveränderungen der Fläche im wesentlichen linear veränderbar ist, und daß mit dem zweiten Detektor eine Einrichtung verbunden ist, durch die das zweite Signal aufgrund von Temperaturveränderungen der Fläche entsprechend dem genannten Verhältnis proportional zu dem ersten Signal veränderbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß mit den beiden Detektoren eine Einrichtung zum Anzeigen der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal verbunden, ist.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung z\xr Vereinigung der Signale einen Schreiber aufweist, ferner eine mit dem ersten Detektor und mit der Einrichtung zum Verändern des zweiten Signals verbundene Einrichtung von der an den Schreiber ein Eingangssignal abgebbar ist, das durch Subtraktion des ersten Signals oder des veränderten zweiten Signals, und zwar des kleineren dieser beiden Signale von dem größeren von ihnen entsteht, und daß zum Umsetzen des Eingangssignals in eine Temperaturanzeige in dem Schreiber eine Einrichtung vorhanden ist, mittels deren das Eingangssignal durch den um 1 verminderten Wert des genannten Verhältnisses teilbar ist.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Strahlenteiler, der bei Empfang von Strahlung von der genannten Stelle der Fläche einen Teil der Strahlung an den ersten Detektor und den anderen Teil der Strahlung an den zweiten Detektor abgibt.

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7. Vorrichtung wenigstens nach Anspruch 5 oder 6, ge kennzeichnet durch ein Anzeigeinstrument und durch einen Spannungsteiler, der mit der Anzeigeeinrichtung , dem ersten Detektor und der Einrichtung zum Verändern des zweiten Signals derart verbunden ist, daß der Spannungsteiler das veränderte zweite Signal entsprechend dem genannten Verhältnis verkleinert und an das Anzeigeinstrument ein Eingangssignal abgibt, das durch Subtraktion des ersten Signals oder des veränderten und entsprechend dem genannten Verhältnis verkleinerten zweiten Signals und zwar des kleineren dieser beiden Signale von dem größeren von ihnen entsteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß das Anzeigeinstrument mit einer Einrichtung versehen ist, die bei Überschreiten eines vorherbestimmten Grenzwertes des Eingangssignals am Anzeigeinstrument ein Alarmsignal abgibt,
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Detektor ein Gesamtstrahlungs-Pyrometer und der zweite Detektor ein Siliziumzellen-Pyrometer ist.

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