DE2241107A1

DE2241107A1 - Vorrichtung zur beruehrungsfreien, genauen, kontinuierlichen bestimmung der temperatur von oberflaechen

Info

Publication number: DE2241107A1
Application number: DE2241107A
Authority: DE
Inventors: Josef Meyer; Josef Schurrer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1972-08-22
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1974-02-28
Also published as: DE2241107C2

Description

Vorrichtung zur berührungsfreien, genauen, kontinuierlichen Bestimmung der Temperatur von Oberflächen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungsfreien, genauen, kontinuierlichen Bestimmung der Temperatur von Oberflächen mittels kapazitiver oder induktiver Wegmeßfühler und Temperaturmeßfühler.
Es ist bekannt, zur berührungsfreien Temperaturbestimmung mittels Meßsonden die Wärmestrahlung festzustellen, um aus ihr dann Rückschlüsse auf die Oberflächentemperatur zu ziehen. Dieses Verfahren ist nur dann genau, wenn der genaue Abstand zwischen Sonde und Oberfläche bekannt ist.
Diese Abstandsmessung ist, insbesondere wenn sie berührungsfrei und stetig insbesondere an in Meßrichtung bewegten Teilen erfolgen soll, schwierig zu bewerkstelligen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu finden, die ein möglichst genaues, berührungsfreies und kontiunierliches Messen von Oberflächentemperaturen gestattet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Temperatur- und WegmeßfUhler gemeinsam eine der Oberfläche gegenüberliegende Meßsonde bilden. Durch die Erfindung werden zur gleichen Zeit und der gleichen Stelle der Oberfläche zugeordnet aufgenommene Strahlung und Abstand von der Oberfläche kontinuierlich bestimmt, so daß diese Informationen einem Rechner zugeführt und in bekannter Weise über eine der quadratischen Funktion zwischen Strahlungsintensität und Abstand entsprechende Analogsohatung direkt und kontinuierlich ausgewertet werden können. Insbesondere bei bewegten Oberflächen, wie z.B. bei der Oberfläche einer Gas-Ultra-Zentrifuge, wo erst eine sehr genaue Kenntnis der Temperaturverläufe gewisse Rückschlüsse über den in der Zentrifuge stattfindenden Trennvorgang liefert, ist es erst mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung möglich, die genaue Mitteltemperatur einer Höhenschicht festzustellen, da die Schleudertrommel im Betrieb starke Präzessions-und Nitationsbewegungen durchführt.
Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß sind die Meßfühler ring- oder scheibenförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet; hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß beide den Meßwert von genau der selben Oberflächenstelle entnehmen können, nicht etwa Meßwerte zweier eng benachbarter Punkte.
Einer zusätzlichen Ausgestaltunz der Erfindung entsprechend ist der Abstand zwischen Meßsonde und Oberfläche veränderlich; hierdurch ergeben sich zwei Dlöglichkeiten a) der vom Wegmeßfühler gelieferte Meßwert kann an definierten Lagen verglvichen und eingeeicht werden, wodurch eine billige Fertigung mit groben Toleranzen ermöglicht wird, und b) der Wegmeßfühler kann immer so nahe an die Oberfläche herangebracht werden, daß er der Wärmestrahlung gerade noch standhält; da die Wärmestrahlung im Quadrat zur Strecke abnimmt, ergibt sich für zwei Wärmequellen unterschiedlicher Intensität bei großer Entfernung in beiden Fällen ein unter der Meßschwelle liegender Wert, während bei verringerter Entfernung zwei voneinander differierende Meßwerte erzielt werden.
Somit ist bei Wärme schwankungen die erfaßbare Strahlungsschwankung umso deutlicher, je näher man mit der Meßsonde der Oberfläche kommt.
Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß ist die Meßsonde um einen einstellbaren und ablesbaren Abstand zu ihrer ursprünglichen Ausgangslage verstellbar; hierdurch kann die Meßsonde während des Betriebes auf verschiedene definierte Abstände gebracht werden, die jeweils mit einem zugehörigen Signal des Wegmeßfühlers eingeeicht sein können.
Es ist hierdurch auch möglich, die allmähliche Erwärmung der Oberfläche mit schrittweise angepaßter Meßstrecke genauer zu bestimmen, als es mit einem festgelegten Meßabstand möglich wäre. Letztlich ist es auch in der Umkehrung der Messung möglich, einem Normsignal aus dem Wegmeßfühler eine Mechanisch gemessene Strecke zuzuordnen. Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist es weiterhin Gegenstand der Erfindung, eine Mikrometerschraube mit Ableseskala als Hilfsmittel konstruktiv in die Vorrichtung mit einzubeziehen, um so eine genaue Wegstreckenänderung und -ablesung zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung derart in eine der Oberfläche benachbarte Wandung eingebracht, daß die Meßfühler auf der der Oberfläche zugewandten Seite der Wandung liegen, die Mikrometerschraube und deren Ableseskala dagegen auf der anderen Seite, wobei einer neuerlichen Ausgestaltung gemaß die von den MeßrUhlern ausgehenden Signalleitungen in neben der Mikrometerschraube angeordneten Halbkupplungen enden. Durch diese Ausgestaltungen der Erfindung ist es nicht nur möglich, die Vorrichtung so einer Wandung einzubringen, daß diese Wandung die Handhabungsteile von Strahlung und sonstigen Einwirkungen schützt, sondern es sind auch alle Signalverbindungen kuppelbar auf der geschützten Seite der Wandung angebracht. Die Kuppelverbindungen erleichtern im übrigen sowohl die Montage, als auch das Verdrahten, und sie gestatten ein rasches Auswechseln der Meßvorrichtung, wenn.ein Fehler an ihr auftreten sollte.
Einer zusätzlichen Ausgestaltung gemäß ist die Meßvorrichtung dichtend der Rezipientenwand einer Gas-Ultra-Zentrifuge eingebracht; hier ermöglicht die Erfindung eine besonders gute Meßmöglichkeit, wie überall, wo derartige Messungen in unzugänglichen Innenräumen oder in Unter- oder Überdruckräumen durchgeführt werden müssen. Besonders die geringen Temperaturunterschiede und die aufgrund der Kreiselbewegungen der Schleudertrommel auftretenden Meßstreckenänderungen haben eine genaue Temperaturmessung bisher nicht ermöglicht; erst durch den erfindungsgemäßen Vergleich zwischen gemessener Meßstrecke und aufgenommener Strahlungsintensität ist'es möglich geworden, genaue-Aussagen über Oberflächentemperaturen von Schleudertrommeln machen zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird an einer Verzweigungsstelle, insbesondere an der Abnahmekupplung, das vom Wegmeßfühler aufgenommene Signal für eine zusätzliche Verwendung bereitgestellt. So ist es insbesondere bei Gas-Ultra-Zentrifugen möglich, die dort ohnehin notwendige Lagemessung, die z.B. zum Betrieb einer aktiv magnetischen Lagerung benötigt wird, durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zu übernehmen. Da der Rezipient einerseits äußeren Druckkräften, andererseits im Fall des Zerplatzens einer Schleudertrommel hohen Impulskräften ausgesett ist, ist es wünschenswert, die Anzahl der Durchbrüche durch die Rezipientenwand so gering wie nur möglich zu halten.
Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt; es zeigen Fig. 1 den teilweisen Aufriß einer Gaszentrifuge, der in die Rezipientenwand eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung eingebracht ist, Fig. 2 und Fig. 4 je den Aufriß durch eine von zwei Meßfühlern gebildete Sonde, und Fig. 5 und Fig. 5 die Vorderansicht einer Sonde nach Fig. 2 und Fig. 4.
In Fig. 1 ist als Oberfläche die Schleudertrommel 15 einer Gaszentrifuge dargestellt. Ihr gegenüber ist der Flansch 1 mit drei Schrauben 2 an der Rezipientenwand 12 angebracht. Die Gasdichtung zwischen Flansch 1 und Rezipientenwand 12 erfolgt durch einen O-Ring 3. Im Zentrum des Flansches 1 ist ein axial verschiebliohes Gleitstück 4 eingebracht, dessen Gasabdichtung ein Faltenbalg 5 übernimmt. An der Innenseite des Gleitstückes 4 befindet sich eine gasdicht vergossene Steckbuchse 6, deren elektrische Verbindungen zum Vielfachstecker 7 führen. Ebenfalls mit dem Gleitstück 4 fest verbunden ist die arretierbare Mikrometerschraube 8, deren Spindel sich auf der Kugel 9 abstützt, und deren Rand auf einer Skala den Ablesewert anzeigt. Die Anschubkraft wird durch die Zugfeder 10 hergestellt. Der an der Skala ablesbaren Strecke entspricht die von dem Sensor 11 zurückgelegte Strecke. Der Sensor 11 ist nur durch die Kontaktkräfte der Steckverbindung gehalten.
Fig. 2 und 3 zeigen eine Elektrode für kapazitive Wegmessung 14, mit isoliert aufgebrachtem Temperaturfühler 15, z.B. einem Thermoelement, Thermistor oder NTC-Widerstand.
An der Rückseite der Elektrode ist ein Vielfachstecker 16 als Träger des Sensors befestigt. Durch eine verspiegelte Fläche 17 ist die Sonde gegen störende Einstrahlung abgeschirmt.
Fig. 4 und 5 zeigen einen Sensor mit einem induktiven Wegmeßsystem 18, das über drei Isolatoren 19 mit einem ringförmigen Temperaturstrahlungsaufnehmer 20 verbunden ist, der die empfangene Wärmemenge dem Temperaturfühler 21 mitteilt. Da die Isolatoren eine elektrische und eine Wärmeisolierung bewirken, bedarf der Temperaturfühler 21 keiner isolierten Befestigung. Der Mitte des Wegmeßtystems 18 könnte möglicherweise noch ein zusätzlicher Fühler eingebracht sein, z.B. ein zusätzlicher kapazitiver Wegmeßfühler zur vergleichenden Messung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zur berührungsfreien, genauen, kontinuierlichen Bestimmung der Temperatur von Oberflächen mittels kapazitiver oder induktiver Wegmeßfühler und Temperaturmeßfühler, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur- und Wegmeßfühler gemeinsam eine der Oberfläche gegenüberliegende Meßsonde bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßfühler konzentrisch zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Meßsonde und Oberfläche veränderlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde um einen einstellbaren und ablesbaren Abstand zu ihrer ursprünglichen Ausgangslage verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand durch eine Mikrometerschraube eingestellt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine der Oberfläche benachbarte Wandung derart eingebracht ist, daß die Meßfühler auf der der Oberfläche zugewandten Seite den Wandung liegen, die Mikrometerschraube und deren Ableseskala dagegen auf der anderen Seite.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Meßfühlern ausgehenden Signalleitungen in Halbkupplungen enden, die an der Seite der Vorrichtung angeordnet sind, die auch die Mikrometerschraube aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie dichtend der Rezipientenwand einer Gas-Ultra-Zentrifuge eingebracht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegmeßsignal an einer Verzweigungsstelle für zusätzliche Zwecke abnehmbar ist.