DE2326465A1

DE2326465A1 - Verfahren zur beruehrungslosen temperaturmessung an der oberflaeche duenner, langgestreckter objekte

Info

Publication number: DE2326465A1
Application number: DE2326465A
Authority: DE
Inventors: Gerold Dr Braendli; Pierre Keller
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1973-05-24
Publication date: 1974-11-14
Also published as: JPS5015586A; ATA58374A; CH557528A; SE399595B; US3884075A; FR2227517A2; AT350814B; FR2227517B2; GB1455075A

Description

Zusatzanmeldung zu Hauptpatent .... 2326465

(Patentanmeldung P 22 ¹H 310.1) 48/73

' Me./hk.

"Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung an der Oberfläche dünner, langgestreckter Objekte

Der Patentanspruch I des Hauptpatentes betrifft ein Verfahren zur berührungslosen und materxalunabhängigen Temperaturmessung und/oder -regelung an Oberflächen mittels Infrarot-Pyrometrie, wobei das Strahlungsgleichgewicht zwischen dem Messobjekt und einem geheizten kompensierenden Strahler hergestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen Strahler und Messobjekt ein drehbares, einseitig verspiegeltes Flügelrad derart angeordnet wird, dass bei der Drehung des Flügelrades in den Zeitintervallen des Durchlassens der Strahlung vom Messobjekt durch die Flügelrad-Zwischenräume diese Strahlung auf ihrem weiteren Weg mit einem Infrarot-Detektor gemessen wird, während

409846/0639

in den mit diesen Intervallen alternierenden Zeiträumen der* Abdeckung der besagten Strahlung durch einen Flügel des Flügelrads die vom kompensierenden Strahler emittierte Strahlung an der dem Messobjekt abgewandten, verspiegelten Fläche dieses Flügels reflektiert wird und anstelle der abgedeckten Messobjekt-Strahlung auf den Infrarot-Detektor fällt, so dass bei fehlendem Strahlungsgleichgewicht und somit Temperaturungleichheit zwischen Messobjekt und Strahler am Ausgang des Detektors ein Wechselsignal erzeugt wird, dessen Frequenz von der Drehzahl des- Flügelrads bestimmt wird und das nach phasenempfindlicher Gleichrichtung auf eine Regeleinrichtung gelangt, durch welche eine Wärmezufuhr im Sinne der Erzielung eines Strahlungsgleichgewichts zwischen Messobjekt und Strahler so gesteuert wird, dass das Ausgangssignal am Detektor Null wird, was ein Kriterium dafür ist, dass die gemessene Temperatur des Strahlers der Temperatur des Messobjektes entspricht .

Der Grundgedanke des Hauptpatentes sei anhand des Ausführungsbeispiels der Fig.l, die der Fig. 1 des Hauptpatentes entspricht, noch einmal veranschaulicht. Die zu messende Ober- . fläche ist mit 4 bezeichnet. 1 ist der kompensierende Strahler in Gestalt eines zylindrischen Metallkörpers von guter thermischer Leitfähigkeit (z.B. Cu). Der Metallkörper weist an einer seiner Grundflächen eine halbkugelförmige Aushöhlung auf, die auf die Oberfläche des Messobjektes (4) aufgesetzt bzw.

409 846/0639

ORfGlMAL INSPECTED

Ί8/73

in seine unmittelbare Nähe gebracht wird. 2 ist das im Innerendes Hohlraumes angeordnete Flügelrad ("chopper"), hier in schematisiertem Seitenriss gezeichnet. Die dem Messobjekt abgewandten Flügelflächen sind verspiegelt. Die Drehachse des Flügelrads 2 ist durch einen längs der Mittelachse des Metallkörpers 1 darin vorgesehenen Kanal nach aussen geführt und wird von einem Motor 3 angetrieben. Ausserdem ist im Metallkörper 1 ein zweiter Kanal 6 vorgesehen, der bezüglich des Hohlraums in radialer Richtung und unter einem spitzen Winkel zum Drehachsen-Kanal verläuft, und zwar in solchem Abstand von diesem Kanal, dass die Flügel des Flügelrads 2 die vom-Messobjekt Ί in den zweiten Kanal 6 einfallende DirektStrahlung abdecken können.

Mit 5 ist ein Infrarot-Detektor bezeichnet, der im gezeichneten Ausführungsbeispiel mit dem Hohlraum des Metallkörpers 1 über den zweiten Kanal 6 und einen diesen Kanal nach aussen fortsetzenden Infrarot-Leiter 6' verbunden ist. Der Infrarot-Detektor kann auch im Inneren des Metallkörpers 1 angeordnet und mit dem Hohlraum nur über den Kanal 6 verbunden sein.

Mit 7 ist eine den Metallkörper 1 umgebende Heizwicklung bezeichnet, deren Speisung über einen an sich bekannten und daher nicht dargestellten elektronischen Regelkreis gesteuert wird, dem das Ausgangssignal des Infrarot-Detektors als Regelsignal zugeführt wird; 8 ist ein in den Metallkörper 1 versenkbares Kontaktthermometer.

409846/0639

_ ti —

48/73

Zum ,Schutz des Flügelrads 2 und der konkaven Halbkugelfläche des Hohlraums des Metallkörpers 1 kann die Grundfläche dieses Hohlraums mit einem infrarotdurchlässigen Fenster 9 abgeschlossen sein.

Ausserdem kann, damit die Strahlüngsverhältnisse im Inneren des Hohlraums möglichst genau dem PlancKschen Gesetz folgen, die konkave Halbkugelfläche des Metallkörpers 1 geschwärzt ■ sein. Dies ist nicht nötig, wenn der Metallkörper 1 sehr nahe am Messobjekt 1 angeordnet ist oder gar auf ihm aufliegt und der Durchmesser des Kanals 6, durch den die Infrarotstrahlung aus dem Hohlraum nach aussen gelangt, relativ klein ist.

Im normalen.Betrieb, d.h. für die Temperaturmessung, rotiert das Flügelrad 2 mit konstanter Drehzahl, wobei in den Zeitintervallen, in welchen die vom Messobjekt H emittierte Direktstrahlung durch die Flügel-Zwischenräume passieren kann, diese Strahlung durch den Kanal 6 bzw. den Infrarotleiter 6' auf den Infrarotdetektor 5 fällt und ein Ausgangssignal_bestimmter Amplitude erzeugt. In den mit diesen Intervallen alternierenden Zeiträumen, in welchen diese Direktstrahlung durch die Flügel des Flügelrads 2 abgedeckt wird, gelangt dank der Verspiegelung der dem Messobjekt abgewandten Flächen der Flügel Strahlung, die von der konkaven Halbkugelfläche des Strahlers 1 emittiert und an diesen verspiegelten Flügelflächen reflektiert wird, in den Kanal 6 und fällt anstelle

409846/0639

' ^% ^J Is (f**" ß (F^ ft^*

ü du 0.4 b 5 - 5 - ^8/73

der Direktstrahlung auf den Infrarotdetektor 5„ Bei fehlendem Strahlungsgleichgewichtj d-h» bei Temperaturverschiedenheit zwischen Messobjekt 4 und Strahler I₃ hat das Detektor-Ausgangssignal, wie unmittelbar ersichtlich_s verschiedene Amplituden je nachdem₃ ob die Direktstrahlung von 4 oder die reflektierte Strahlung von 1 empfangen wird= Abgesehen,von der Gleichstromkomponente j die ausgesiebt wird, ergibt sich am Detektorausgang demnach ein Wechselspannungssignal, dessen Phase je nachdem,.ob die Temperatur des Strahlers 1 grosser oder kleiner ist als die Temperatur des Messobjektes 4, um 180° verschieden ist« Dieses Signal wird phasenabhängig gleichgerichtet und als Regelsignal der besagten, nicht gezeichneten elektronischen Regeleinrichtung zugeführt_s die den Strom durch die Heizwicklung 7 in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Regelsignals (d«h. von der Phase des Detektor-Ausgangs-' signals und somit vom Vorzeichen der Temperaturdifferenz zwischen Messobjekt und Strahler_s SoO«) in der Weise steuert_s dass die Temperatur des Strahlers 1 je nachdem₃ ob sie niedriger oder höher ist als die Temperatur des Messobjektes H₃ erhöht oder reduziert wird₃ bis das Wechselspannungssignal am Detektor-Ausgang - und somit auch das Regelsignal - verschwindet» Dann ist das Strahlungsgleichgewicht und folglich auch die Tempe-r raturgleichheit zwischen Strahler 1 und Messobjekt "4· erreichte, und die Strahlertemperatur - die auch die Temperatur des Messobjektes ist - kann am Kontaktthermometer 8 abgelesen werden«

. - 6 - ■ 48/73

Die in Fig.l gezeigte Form des kompensierenden Strahlers 1 eignet sich sehr gut für Teniperaturmessungen an grossflächigen Objekten von der Art des in der Fig» mit H bezeichneten. Nicht selten ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Temperatur an der Oberfläche dünner,langgestreckter Objekte zu -messen (z.B. an durchlaufendem Draht)»

Der vorliegenden Zusatzerfindung liegt die Aufgabe zugrunde für diesen Fall geeignete Messelemente zu schaffen= Dies wird dadurch erreicht, dass bei dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 des Hauptpatentes ein kompensierender Strahler in Gestalt eines das Objekt umschliessenden Hohlkörpers mit Oeffnungen für das Objekt und das Flügelrad verwendet wird.

•Eventuell kann der kompensierende Strahler eine weitere Oeffnung aufweisen, durch die ein Infrarot-Leiter geführt ist, an dessen ausserhalb des kompensierenden Strahlers befindlichen Ende der Infrarot-Detektor angeordnet ist.

Die Erfindung sei jetzt anhand der Fig»2 näher erläutert. Der kompensierende Strahler l^f hat die Form eines ungefähr zylindrischen Hohlkörpers, der in der Figur im Querschnitt gezeigt ist. Das Messobjekt *t⁵ hat die Gestalt eines langgestreckten Drahtes und ist durch zwei Oeffnungen in der Grund- bzw. Deckfläche des kompensierenden Strahlers I^s geführt» Der Draht Ί¹ kann z.B. durch den Hohlkörper I^s durch-

409846/0839

48/73

laufen« Weitere Qeffnungen des im übrigen allseitig -geschlossenen Hohlkörpers 1 sind für die Drehachse des vom Motor 3 angetriebenen Flügelrads 2' und für den Lichtleiter vorgesehenj an dessen ausserhalb des kompensierenden Strahlers l^r befindlichem Ende der Infrarot-Detektor 5 angeordnet ist.. Naturgemäss muss Boch ein (nicht dargestelltes) in den Metallkörper I¹ versenkbares Kontaktthermometer vorgesehen sein.

^09846/0639

Claims

- 8 - 48/73 D

Patentansprüche

, 1.j Verfahren zur berührungslosen und materialunabhängirren Temperaturmessung und/oder --regelung an Oberflächen mittels Infrarot-Fyrometrie, wobei das Strahlungsgleichgewicht zwischen dem Messobjekt und einem geheizten kompensierenden Strahler hergestellt wird und zwischen Strahler und Messobjekt ein drehbares, einseitig verspiegeltes Flügelrad derart angeordnet wird, dar.s bei der Drehung des Flügelrades in den Zeitintervallen des Durchlassens der Strahlung vom Messobjekt durch die Flügelrad-Zwischenräume diese Strahlung auf ihrem weiteren Weg mit einem Infrarot-Detektor gemessen wird, während in den mit diesen Intervallen alternierenden Zeiträumen der Abdeckung der besagten Strahlung durch einen Flügel des Flügelrads die vom kompensierenden Strahler emittierte Strahlung an der dem Messobjekt abgewandten, verspiegelten Fläche dieses Flügels reflektiert wird und anstelle der abgedeckten Messobjekt-Strahlung auf den Infrarot-Detektor fällt, so dass bei fehlendem Strahlungsgleichgewicht und somit Temperaturungleichheit zwischen Messobjekt und Strahler am Ausgang des Detektors ein

409846/0639

- 9 - 48/73

Wechselsignal erzeugt wird, dessen Frequenz von der Drehzahl des Flügelrads bestimmt wird und das nach phasenempfindlicher Gleichrichtung auf eine Regeleinrichtung gelangt, durch welche eine Wärmezufuhr im Sinne der Erzielung eines Strahlungsgleichgewichts zwischen Messobjekt und Strahler so gesteuert wird, dass das Ausgangssignal am Detektor Null wird, was ein Kriterium dafür ist, dass die gemessene Temperatur des Strahlers der Temperatur des Messobjektes entspricht, nach Patent

zur Messung an dünnen, langen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompensierender Strahler in Gestalt eines das Objekt umschliessenden Hohlkörpers (I¹) mit Oeffnungen für das Objekt (¹I*) und das Flügelrad (2¹) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kompensierende Strahler (1') eine weitere Oeffnung aufweist, durch die ein Infrarotleiter (6) geführt ist, an dessen ausserhalb des kompensierenden Strahlers (I¹) befindlichem Ende der Infrarot-Detektor (5) angeordnet ist

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

40 9846/063 9