DE3236215C2

DE3236215C2 - Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands rotierender Drehtrommeln zur Durchführung thermischer Prozesse und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur flächenhafter, insbesondere sich bewegender Meßobjekte, z.B. rotierender Drehtrommeln wie Drehrohröfen

Info

Publication number: DE3236215C2
Application number: DE3236215A
Authority: DE
Inventors: Gernot 5000 Köln Jäger; Herbert Dr. 6204 Taunusstein Specht; Hubert 5063 Overath Spitz
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1982-03-13
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1986-10-30
Also published as: US4487575A; GB8306960D0; FR2524130A1; SE8301309L; DE3236215A1; FR2524130B1; GB2117113B; GB2117113A; DK85383A; DK85383D0; SE8301309D0

Abstract

Zur Erfassung des Betriebszustands eines Drehrohrofens, insbesondere zur rechtzeitigen Erkennung von Mauerwerksschäden, Ringbildung, usw. wird dessen Oberflächentemperatur berührungslos abgetastet und zusammen mit anderen, ofen- bzw. prozeßspezifischen Parametern ausgewertet. Bei einer Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur wird der Mantel des Drehrohrofens in Längsrichtung lückenlos abgetastet wobei mittels Schirmblechen (14, 14Δ), die vor Referenzstrahlern (13, 13Δ) angeordnet sind, Impulsfolgen gebildet werden, die außer zu Steuerzwecken auch einer dynamischen Selbstkalibrierung dienen. Zur Korrektur eines Projektionsfehlers können die astigmatischen Abbildungseigenschaften eines optischen Systems (7Δ) ausgenutzt werden. Das modular aufgebaute, in räumlich voneinander getrennte Funktionseinheiten zur Meßwertgewinnung und Meßwertaufbereitung unterteilte Meßsystem weist Schnittstellen auf, an denen die gewonnenen Temperaturmeßwerte in datenverarbeitungsgerechter Form anfallen.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands rotierender Drehtrommeln zur Durchführung thermischer Prozesse, insbesondere Drehrohrofen zur Behandlung feinkörniger Stoffe wie zum Beispiel Tonerde, Erz, Zementrohmehl, Kalk oder dergleichen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Oberflächentemperatur flächenhafter, insbesondere sich bewegender Meßobjekte, zum Beispiel rotierender Drehtrommeln zur thermischen Behandlung feinkörniger Stoffe wie Drehrohrofen, umfassend Funktionselemente zur Meßwertaufbereitung, die der Zuordnung von Temperaturmeßwerten zu elektrischen Signalen dienen, sowie Funktionselemente zur Meßwertgewinnung, welche einer einfallenden Infrarotstrahlung entsprechend elektrische Signale erzeugen.

Mit zunehmender Größe der heute eingesetzten Drehrohrof^neinheiten, welche sich auf Tagesleistungen von 4000 Tonnen Klinker und mehr belaufen, wächst das Bedürfnis einer verfeinerten Überwachung, insbesondere um Ofenstillstände aufgrund von Ausmauerungsschäden und die dadurch bedingten Kosten zu verringern. Hierbei kommt es besonders darauf an, eine sich anbahnende Schädigung, als welche auch Unregelmäßigkeiten des Materialansatzes im Ofeninneren, Ringbildung und -brüche angesehen werden, welche sich unter anderem in Temperaturveränderungen der Mantelfläche des Drehrohrofens äußert, möglichst bereits im Entstehungsstadium zu erkennen. Denn erfahrungsgemäß führen zu einem frühen Zeitpunkt eingeleitete Gegenmaßnahmen zu geringeren Stillstandszeiten und damit geringeren Produktionsausfällen.

Problematisch für den Einsatz komplexer Meßsysieme ist jedoch die staubige und korrosive Atmosphäre in der Umgebung derartiger Ofenar.iagen, weiche außerdem durch Feuchtigkeit und Vibrationen gekennzeichnet ist und praktisch nur den Einsatz robuster und einfach handhabbarer Geräte zuläßt.

Es ist bekannt, zur Temperaturüberwachung eines Drehrohrofens robuste, langsam ansprechende Strahlungsthermometer mit großem öffnungswinkel auf einer Schiene parallel und in kurzem Abstand zur Mantellinie des Drehrohi ofens verfahrbar anzuordnen. Eine flächendeckende Erfassung der gesamten Drehrohrofcnoberfläche wird hie/bei jedoch erst nach Ablauf verhältnismäßig langer Zeitintervalle erreicht. Eine praktisch wichtige, rasche Erkennbarkeit von sich anbahnenden Ausmauerungschäden ist hierbei nicht gegeben.

Eine weitere bekannte Möglichkeit ist die Anordnung eines ortsfesten schwenkbaren Strahlungsthermometers mit großem öffnungswinkel. Hier ergibt sich jedoch bei langen Drehrohröfen ein verschlechtertes Auflösungsvermögen in den Randbereichen, dem nur durch Beschränkung des Abtastwinkels und somit Einsatz mehrerer derartiger Geräte begegnet werden kann.

Eine bereits verbesserte, schnelle flächendeckende Erfassung der Oberflächentemperatur von Drehrohröfen ist in der Druckschrift »AGA Cemscanner, an infrared system for realtime monitoring of rotary kilns«, veröffentlicht 1978, beschrieben. Hierbei handelt es sich um Meßgeräte mit kleinem Öffnungswinkel und einer umlaufenden Optik. Die Messung basiert auf einer entlang einer Linie geführten Abtastung der Oberfläche, wobei die Abtastung längs der Linie mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß demgegenüber die Umfangsgeschwindigkeit des Drehrohrofens keine Bedeutung hat Die emittierte Strahlung verläuft hierbei über ein drehbar gelagertes Prisma auf einen Halbleiterdetektor, der ein dieser entsprechendes elektrisches Signal abgibt Das Gerät ist mit einem Referenzstrahler ausgerüstet, der zusammen mit der Optik in einem Stahlgehäuse gekapselt ist, welches seinerseits in einem gegebenenfalls klimatisierten Schutzgehäuse untergebracht ist, das in einem, durch die Länge des Drehrohrofens und den horizontal ausnutzbaren Abtastwinkel bestimmten Abstand von dem Drehrohrofen angeordnet ist Hierbei sind somit umfangreiche Sicherungsmaßnahmen erforderlich, um ein hochkomplexes Gerät vor den ungünstigen Umwelteinflüssen in der Umgebung von Drehrohrofenanlagen zu schützen. Vor Ort befindet sich eine, ein verhältnismäßig großes Bauvolumen erfordernde Meßvorrichtung, deren Wartung insbesondere aufgrund ihres komplizierten Aufbaues beziehungsweise ihrer Aufstellung ein geschultes Fachperso-' nal erfordert

Das in dieser Druckschrift beschriebene Meßsystem ist ferner in sich abgeschlossen und liefert Meßwerte in analoger Form, die als unterschiedliche, die Temperaturverteilung der Oberfläche des Drehrohrofens beschreibende Grafiken dargestellt werden. Die Temperaturverteilung ist zwar ein wichtiger Parameter des Drehrohrofenbetriebes — zur Gewinnung ausreichender Informationen — für die rechtzeitige Einleitung von Prozeßführungsmaßnahmen muß disse Temperaturverteilung jedoch in Zusammenhang mit weiteren, den thermischen Prozess beziehungsweise den Betrieb des Drehrohrofens beschreibenden Parametern wie zum Beispiel Rohmaterialaufgabe, Brennstoffzufuhr, Drehzahl und Antriebsleistung usw. interpretiert werden, beispielsweise um eine ungleichgewichtige Dosierung von Rohmaterial- und Brennstoffzufuhr erkennen zu können. Eine weitergehende Auswertung der ermittelten Meßwerte, zum Beispiel Trendanalysen sind bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen System nicht vorgesehen.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands von Drehtrommeln zur Durchführung thermischer Prozesse, insbesondere Drehrohrofen zu konzipieren, welches ein möglichst vollständiges Bild der kennzeichnenden Parameter liefert, diese zwecks weiterer Auswertung in einer datenverarbeitungsgerechten Form bereitstellt, und auf dieser Grundlage ungünstige Betriebszustände bezie-

hungsweise sich anbahnende Störungen beschreibende Kennwerte bildet Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur flächenhafter, insbesondere sich bewegender Meßobjekte wie Drehtrommeln zu entwickeln, welches sich durch Einfachheit, Robustheit und Genauigkeit auszeichnet und welches die gewonnenen Meßwerte in aufbereiteter und einer für die weitere Auswertung durch eine Datenverarbeitungsanlage geeigneten Form liefert. Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß die Temperaturverteilung der Oberfläche des Drehrohrofens berührungslos gemessen wird, wobei aus der Temperaturverteilung in Verbindung mit anderen, den thermischen Prozess und/ oder den Betrieb des Drehrohrofens beschreibenden Parametern ein den augenblicklichen Betriebzustand des Drehrohrofens und/oder dessen Änderungen charakterisierende/r Kennwerte beziehungsweise Kennwert gebildet wprHpn/wirH. 7ijr Beschreibung des Betriebsverhaltens der Drehtrommel beziehungsweise des Drehrohrofens wird eine berührungslose Messung der Temperaturverteilung somit in einen umfassenderen Zusammenhang, nämlich den durch die übrigen Betriebsparameter gegebenen, eingebunden. Auf diese Weise ist die Möglichkeit einer verbesserten Auswertungsmöglichkeit der gewonnenen Meßergebnisse gegeben, beispielsweise auf der Grundlage deren gegenseitiger Korrelation, so daß diese Meßwerte untereinander im Zusammenhang interpretiert werden können.

Die Einbindung der Temperaturmessung in einen größeren Funktionszusammenhang bringt die Möglichkeit verfeinerter Analysen des Istzustandes beziehungsweise des Betriebsverhaltens im Zeitablauf mit sich, welche zur Prozeßoptimierung beziehungsweise Qualitätsverbesserung benutzt werden können.

Es ist ferner die Möglichkeit eines sensiblen, kontinuierlichen Überprüfens der Ofenausmauerung auf vorhandene beziehungsweise sich anbahnende Schädigungen möglich, so daß auch das Verhalten der Ausmauerung im Zeitablauf erkennbar ist. Neben Unregelmäßigkeiten des Materialansatzes im Ofeninnern und Ringbrüchen kann auch der jeweilige spezifische Wärmeverbrauch des Brennprozesses und andere Parameter, für welche die Temperaturverteilung von Bedeutung ist, berechnet werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Messung der Temperaturverteilung eine vom Drehrohrofen ausgehende Infrarotstrahlung von einem ortsfesten Punkt zeilenweise abgetastet, wobei die ermittelten Meßwerte nach Maßgabe einer, ähnlichen Störeinflüssen ausgesetzt Messung der Temperatur wenigstens eines Referenzstrahlers bekannter, konstant gehaltener Temperatur korrigiert werden. Vorzugsweise werden hierbei zwei Referenzstrahler eingesetzt, deren unterschiedliche Temperaturen charakteristischen Temperaturen des Drehrohrofens entsprechen. Dadurch, daß die Messung des Referenzstrahlers gleichen Störeinflüssen ausgesetzt ist, werden Veränderungen, die im Verlauf des Strahlenganges zwischen Meßobjekt und Meßgerät auftreten, automatisch berücksichtigt so daß die Genauigkeit des Meßergebnisses hierdurch nicht beeinträchtigt wird.

Um den gesamten Meßbereich zu überdecken, werden die unterschiedlichen Temperaturen der Referenzstrahler zweckmäßigerweise auf obere und untere Grenztemperaturen eingestellt so daß auf dem Ergebnis dieser Temperaturmessung aufbauend eine beispielsweise lineare Korrektur der Meßwerte möglich ist. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei großen Korrekturfaktoren, wie sie bei starken Verschmutzungen zu erwarten sind, kritische hohe und niedrig.? Temperaturen sicher erfaßt werden. Im Bedarfsfall können jedoch auch mit Vorteil mehr als zwei Strahler unterschiedlicher Temperaturen eingesetzt werden, beispielsweise um Korrekturen höherer Ordnung und damit eines höheren Genauigkeitsgrades durchführen zu können.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Referenzstrahler gleichzeitig als Signalgeber benutzt. Die aufgrund des Meßvorganges periodische Abtastung des Drehrohrofens, in welchen auch die Referenzstrahler einbezogen sind, eröffnet die Möglichkeit, dem von den Strahlern empfangenen Signal eine bestimmte Form zu geben, weiche zum Erkennen von Anfang und Ende einer Zeile des Meßvorganges beziehungsweise der Richtung der Abtastung benutzt werden kann. Die zur Bildung derartiger Signale erforderlichen Hilfsmittel zeichnen sich durch große Einfachheit aus und können beispielsweise als Bleche ausgestaltet sein, die mit öffnungen einer bestimmten Größe und Reihenfolge beziehungsweise Anordnung versehen sind und im Strahlengang der/des Referenzstrahler/s angeordnet sind.

Ein Vorrichtung zur berührunglosen Messung der Oberflächentemperatur flächenhafter, insbesondere sich bewegender Meßobjekte, zum Beispiel rotierender Drehtr itimeln wie Drehrohrofen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionselemente zur Meßwertaufbereitung von denjenigen zur Meßwertgewinnung räumlich getrennt angeordnet sind. Empfindliche Elektronikbauteile sind somit aus einer, durch starke Umweltbelastungen gekennzeichneten Atmosphäre beispielsweise in den geschützten Raum einer Schaltwarte verlagert so daß unmittelbar vor Ort sich nur ein Meßkopf mit relativ einfachem Aufbau befindet, der praktisch nur Bauteile enthält die gegenüber äußeren Einflüssen unempfindlich sind. Auf diese Weise können Schutzmaßnahmen im Bereich des Meßkopfes auf ein Minimum beschränkt werden, wodurch nicht nur die Aufstellungskosten verringert werden, sondern auch die Handhabbarkeit verbessert wird, insbesondere soweit Instandhaltungs- und Reparaturarbeiten betroffen sind. Hierbei wird der Platzbedarf und somit der gesamte Aufstellungsaufwand gegenüber bekannten Geräten beziehungsweise Systemen erheblich verringert Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft nicht nur bei Drehrohrofen sondern auch bei der Erfassung der Oberflächentemperatur beliebiger anderer, sich bewegender Objekte wie zum Beispiel Blech-, Flachglas-, Kunststoff-Folien-, Textil-, Papierbahnen usw. Anwendung finden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die der Meßwertaufbereitung dienenden Funktionselemente wenigstens einen Mikrorechner, Einheiten zur elektronischen Überwachung, Temperaturkalibrierung. Spannungsversorgung usw.

Diese Funktionselemente bilden zusammen mit den Funktionselementen zur Meßwertgewinnung ein geschlossenes System, als dessen Ausgangsgrößen Temperaturmeßwerte in geprüfter beziehungsweise geeichter und für die Weiterverarbeitung beispielsweise in einem übergeordneten Rechner geeigneten Form auftreten. Es ist somit jedem Meßkopf ein Mikrorechner zugeordnet In einem übergeordneten Rechner wird anschließend in sehr vorteilhafter Weise erfindungsgemäß die Integration dieser Temperaturmeßwerte in einen größeren, beispielsweise durch die Parameter des Drehrohrofens

beziehungsweise des in diesem durchgeführten thermischen Prozesses gegebenen Funktionszusammenhang vorgenommen, um bestimmte Kennwerte zu ermitteln, aus welchen Erkenntnisse über den jeweiligen Betriebszustand des Dreiirohrofcns gewonnen werden können.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die, der Meßwertgewinnung dienenden Funktionselementc innerhalb eines Gehäuses und wenigstens ein Refere ' !strahler von bekannter Temperatur außerhalb des Gehäuses angeordnet. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die von der Drehtrommel ausgehende Infrarotstrahlung einer vergleichbaren Abso.ptionswirkung durch auf dem Gehäuse abgelagerten Staub ausgesetzt ist, wie diejenige des Referensstrahlers.

Meßfehler, die aufgrund einer zunehmenden Verstaubung eintreten, können somit automatisch korrigiert werden. Gleichzeitig kann das Signal des Referenzstrahlers das Ausmaß einer momentan anstehenden Verstaubung anzeigen und auf diese Weise der Selbst-

jt Ω * _~« Λ'

iCUsystcms uicncn.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die, der Meßwertgewinnung dienenden Funktionselemente im wesentlichen ein optisches System sowie einen Infrarotsensor. Vor Ort, das heißt unter ungünstigen Umweltbedingungen befinden sich somit lediglich Bauteile, die zur Meßwerterfassung unbedingt notwendig sind. Hierzu treten lediglich ein Spektralfilter für den Infrarotsensor, ein Vorverstärker sowie die erwähnten Referenzstrahler. Diese Bauteile können sehr vorteilhaft in Form von einzeln austauschbaren Modulen in einem Meßkopf zusammengefaßt werden. Instar.Jhaltungs- beziehungsweise Reparaturarbeiten werden auf diese Weise wesentlich vereinfacht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Referenzstrahier und Umlenkeinrichtung ein Schirmblech angeordnet, das mit öffnungen zur Bildung von Steuerbeziehungsweise Meßsignalen ausgerüstet ist. Die öffnungen weisen eine definierte Größe und Reihenfolge auf, mittels welchen auf die Umlenkeinrichtung eine periodisch wiederkehrende Impulsfolge übertragen werden kann. Der Nachrichtengehalt dieser Impulsfolge besteht neben der Abtastrichtung auch in der Angabe von Anfang und Ende des Meßvorganges einer Zeile. Diese öffnungen können jedoch auch sehr vorteilhaft als Mittel zur dynamischen Selbstkalibrierung herangezogen werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung mit einem Antrieb ausgerüstet, an dessen Abtriebswelle ein Encoder angebracht ist. Der starr mit der Abtriebswelle der Umlenkeinrichtung verbundene digitale Encoder meldet nicht nur deren momentane Position dem Mikrorechner, sondern fungiert außerdem als Taktgeber, mit dem der Mikrorechner das Analogsignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung digitalisiert und weiter aufbereitet Dadurch werden bei gemeinsamer Verwendung mehrerer derartiger Vorrichtungen Gleichlaufschwankungen eliminiert und eine Synchronisation auch bei unterschiedlichen Abtastgeschwindigkeiten und Abtastwinkelbereichen ermöglicht

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung ein Prisma. Ein um eine vertikale Achse drehbar gelagertes Prisma, das eine im wesentlichen in einer Horizontaiebene einfallende Infrarotstrahlung in Richtung auf den Infrarotsensor hin umlenkt stellt eine mechanisch einfache und zuverlässige Ausführungsform dar. Der ausnutzbare Abtastwinkel in der Horizontalebene wird durch die Emissionscharakteristik des Drehrohrofens begrenzt, wobei ein Winkel bis etwa 120^J ausnutzbar ist. Möglich ist grundsätzlich eine beidseitige Messung, das heißt eine mit einem derartigen Prisma ausgerüstete Vorrichtung kann zwischen zwei Drehrohrofen aufgestellt werden und Meßwerte von beiden öfen aufnehmen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkeinrichtung ein Rad mit polygonaler Kontur, dessen Stirnseiten zur Strahlungsführung verspiegelt sind. Hiermit kann bei gegebener Drehzahl des Antriebes der Umlenkeinrichtung die Abtastrate entsprechend der Seitenzahl der polygonalen Kontur vervielfacht werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor einem Drehrohrofen; F i g. 2 eine mögliche Anordnung erfindungsgemäßer

2ö Vorrichtungen Zwischen ϊννεί Drehrohrofen;

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt;

F i g. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV der F i g. 3; Fig.5 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;

F i g. 6 eine andere Ausführungsform des optischen Systems der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Mit 1 ist in Fig. 1 ein Meßobjekt, hier ein Drehrohrofen 1 bezeichnet, vor dem in einem bestimmten Abstand eine Vorrichtung 2 zum berührungslosen Messen der Oberflächentemperatur aufgestellt ist. Die Oberfläche des Meßobjektes 1, insbesondere deren Emissionscharakteristik ist derart beschaffen, daß bei gegebenem Abstand der Vorrichtung 2 von dem Drehrohrofen, deren Abtastwinkel ausreichend ist, um die gesamte Länge zu erfassen. Im Bedarfsfall, insbesondere bei sehr langen Drehrohrofen, können jedoch auch mehrere Vorrichtungen 2, deren horizontale Abtastwinke! einander er= ganzen, nebeneinander angeordnet werden.

Die Vorrichtung 2 ist in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise in einem einfachen Gittermast untergebracht, der in Meßrichtung mit entsprechenden öffnungen versehen ist Sie befindet sich in einer solchen Höhe, daß die von dem Drehrohrofen 1 emittierte Infrarotstrahlung die Vorrichtung 2 möglichst ungehindert und ohne Abschattungen erreichen kann. Bei Aufstellungshöhe der Vorrichtung 2 sollte vorzugsweise wenigstens etwa der Drehachse des Drehrohrofens (1) entsprechen, wobei meßtechnische Gesichtspunkte berücksichtigt werden können, beispielsweise soweit sie durch das, den Ofen durchlaufende Gut bedingt sind. Die ermittelten Signale werden über eine Leitungsgruppe 3' einer Datenverarbeitungseinheit 3 übertragen, welche räumlich getrennt, beispielsweise in der dem Drehrohrofen 1 zugeordneten Schaltwarte untergebracht ist Die Datenverarbeitungseinheit 3 steht über eine weitere Leitungsgruppe 4 mit anderen Meßwertaufnehmern in Verbindung, mittels weichen andere Betriebsparameter der Drehrohrofenanlage übertragen werden, wie zum Beispiel Antriebsleistung des Ofens, Brennstoffzufuhr etc, welche zusammen mit den ermittelten Temperaturm eßwerten Aussagen über den augenblicklichen Betriebszustand des Drehrohrofens beziehungsweise Aussagen über dessen Langzeitverhalten liefern. Diese Aussagen können beispielsweise auf Bildschirmgeräten 5 beziehungsweise schreibenden und/ oder registrierenden Meßgeräten 6 dargestellt werden. Die Datenverarbeitungseinheit 3 enthält unter ande-

ίο

rem einen Mikrorechner, als dessen Ausgangsgrößen geprüfte Temperaturmeßwerte in einer zur Weiterverarbeitung in einer Datenverarbeitungsanlage zum Beispiel einem übergeordneten Rechner geeigneten Form anfallen. Diese Temperaturmeßwerte stehen somit zu einer beliebigen Verwertung zur Verfügung, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei anderen bewegten Mepobjekten wie zum Beispiel Blech-, Flachglas-, Kunsistoff-Folien-, Textil-, Papierbahnen usw. Verwendung finden kann. Die Datenverarbeitungseinheit 3 umfaßt somit mehrere Funktionsmodule, deren Schnittstellen so angeordnet sind, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung, soweit die Auswertung der Temperaturmessung betroffen ist, in beliebigen Zusammenhängen eingesetzt werden kann, so daß ein sehr flexibles Meßsystem gegeben ist.

Von erfindungswesentlicher Bedeutung ist die räumliche Trennung von Meßwertgewinnung und Meßwertauswertung. So umfaßt die Vorrichtung 2. wie noch beschrieben wird, nur Mittel zur Gewinnung elektrischer Signale aus der Infrarotstrahlung, wobei jedoch deren Auswertung, insbesondere die Gewinnung von geprüften und korrigierten Temperaturmeßwerten an einer anderen, hinsichtlich Umwelteinflüssen geschützten Stelle erfolgt. Auf diese Weise vereinfacht sich der konstruktive Aufbau der Vorrichtung, soweit sie in einer staubigen Atmosphäre eingesetzt wird, erheblich, so daß deren Handhabbarkeit vereinfacht wird.

F i g. 2 zeigt eine mögliche Anordnung zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen 2 und 2' zwischen zwei parallel angeordneten Drehrohrofen 1 beziehungsweise Γ. Besonders vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, daß die Vorrichtungen unmittelbar an den einander gegenüberstehenden Drehrohrofen, beispielsweise deren Laufstegen befestigt werden können, so daß keine Zusatzvorrichtungen wie zum Beispiel Masten zur Aufstellung benötigt werden. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, bei einer derartigen Anordnung von Drehrohrofen eine Vorrichtung 2 in der Mitte zwischen beiden aufzustellen, da der Meßvorgang grundsätzlich in beiden Richtungen durchgeführt werden kann.

Schließlich besteht d\z Möglichkeit, insbesondere bei sehr langen Drehrohröfen mehrere Vorrichtungen nebeneinander einzusetzen.

Gemäß Fig.3 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 aus einem Infrarotsensor 7, einer mit einer Antriebswelle 8 ausgerüsteten Umlenkeinrichtung, welche als Prisma 9 ausgestaltet ist, sowie einem Gehäuse 10, dem im wesentlichen eine Staubschutzfunktion zukommt. Das Prisma 9 und der Infrarotsensor 7 bilden bei dieser Ausführungsform das optische System 7'. Das Gehäuse 10 wird nach oben hin durch einen schematisch gezeigten Aufsatz 11 und nach unten hin durch eine Bodenplatte 11' abgeschlossen, an welcher ein Antrieb 12 angeordnet ist, dessen Abtriebswelle die Antriebswelle 8 ist Der Antrieb kann bei konstanter Frequenz des linienhaften Abtastens der Oberflächentemperatur beispielsweise ein Synchronmotor sein. Bei veränderlicher Abtastfrequenz käme auch ein Gleichstrommotor beziehungsweise bei komplizierten Bewegungsformen wie zum Beispiel unterschiedlich schnellem Hin- und Herlauf ein Schrittmotor in Betracht Die Vorrichtung 2 kann gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Sonnenschutzdach 13 ausgerüstet sein. Zeichnerisch nicht dargestellt sind Kühlluftversorgungseinrichtungen, welche den innenraum des aus Quarzglas bestehenden Gehäuses 10 bei Bedarf vor thermischer Überlastung schützen.

Das dem Staubschutz dienende verwindungssteife Gehäuse 10 kann beispielsweise bei hohen Umgebungstemperaturen Jurch ein zwangsbelüftetes Außengehäuse umgeben sein.

Die den Antrieb 12 tragende Bodenplatte 11' trägt an äußeren, einander diametral gegenüberstehenden Enden Referenzstrahler 13 beziehungsweise 13', deren Oberflächen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie hier der Drehrohrofenmantel bestehen, so daß der Einfluß des Emissionsgrades eliminiert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, in der Nähe des Drehrohrofens 1 (F i g. 1) wenigstens einen weiteren zeichnerisch nicht dargestellten Referenzstrahler anzuordnen, der durch die Wärmestrahlung des Drehofens aufgeheizt wird und beispielsweise als ein feststehendes Blech ausgestaltet sein kann. Die Temperatur dieses Bleches wird mit einem Thermoelement gemessen, so daß ein Vergleich zwischen der mittels des Thermoelementes und mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessenen Temperatur möglich ist. Hierdurch wird eine noch weitergehende Präzisierung der gewonnenen Meßwerte der Oberflächentemperatur möglich, da Störeinflüsse, die im Bereich der Übertragungstrecke der Wärmestrahlung wirksam wird, quantitativ berücksichtigt werden können. Zweckmäßig ist es, mehrere derartige Referenzstrahler entlang des Drehrohrofens 1 (Fig. 1) anzuordnen, insbesondere bei Abschnitten unterschiedlicher Temperatur.

Der Infrarotsensor 7 kann beispielsweise ein handelsübliches ungekühltes Strahlungsthermometer mit An-Sprechzeiten im Millisekundenbereich oder ein thermoelektrisch gekühlter Halbleiterdetektor, zum Beispiel InAs oder HgCdTe mit Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich sein. Die Wahl des Sensors hängt vom jeweiligen Meßobjekt ab, wobei die spektrale Empfindlichkeit des Sensors auf einen Bereich von etwa 1,5 bis 5 m eingeschränkt wird. Dadurch wird die Verwendung von preiswerten optischen Materialien, wie zum Beispiel Infrarot-Quarz für die Linsen und das Gehäuse 10 möglich, die nicht nur temperaturbeständig und abriebfest, sondern auch im sichtbaren Bereich transparent sind. Gleichzeitig werden neben den sogenannf-n atmosphärischen Fenstern die Absorbtionsbande industriell wichtiger Gase wie CO2 und H2O überstrichen, so daß durch Vorsetzen von Infrarotbandfiltern eine flexible Anpassung der Spektralcharakteristik möglich ist. Auf diese Weise wird der Einfluß von Infrarotstrahlung absorbierenden Gasen wie H₂O und CO2 eliminiert.

Dem Infrarotsensor 7 ist ein nicht näher dargestelltes Linsensystem zur Führung des Strahlenganges vorgelagert. Das Linsensystem kann beispielsweise zum Ausgleich eines Projektionsfehlers vorzugsweise ein telezentrisches Linsensystem sein, in welches eine oder mehrere Zylinderlinsen eingefügt sind, so daß die Abbildungseigenschaft des Gesamtsystems durch einen Astigmatismus gekennzeichnet ist

Hierbei wird die Veränderung des Projektionsquerschnittes zwischen den unterschiedlichen, zueinander vertikalen Bildlinien, den jeweiligen meridionalen und sagittalen Brennweiten, die in Strahlrichtung gesehen, um die astigmatische Differenz voneinander entfernt sind, ausgenutzt Eine Bildlinie wird auf einen Punkt beziehungsweise Flächenelement kleinster Entfernung, die andere Bildlinie auf einen solchen größter Entfernung zwischen Drehrohrofen und Vorrichtung 2 einge-

ε; stellt Anstelle einer Zylinderlinse können auch beliebige andere, ähnliche Verzerrungen beziehungsweise Unsymmetrien erzeugende Elemente, wie zum Beispiel Prismen eingesetzt werden.

D«s Linsensystem kann jedoch auch lediglich aus sphärischen Linsen aufgebaut sein, wobei über die Scharfeinstellung hinsichtlich eines Punktes beziehungsweise Flächenelementes des Drehrohrofen 1, der/das zwischen Grenzpunkten kleinster und g.'ößter Entfernung gelegen ist, der Ausgleich des Projektionsfehlers erzielt wird. Zum Ausgleich dieses Projektionsfehlers kommt schließlich auch ein Linsensystem mit sphärischen Linsen in Betracht, dessen Brennweite entsprechend der Drehung des Prismas 9 nachstellbar ist.

Unmittelbar zwischen den Referenzstrahlern 13 beziehungsweise 13' und dem Prisma 9 befinden sich mit öffnungen versehene Schirmbleche 14 beziehungsweise 14', welche in noch zu beschreibender Weise der Bildung von Steuersignalen dienen.

Die Bauteile 15 beziehungsweise 15' deuten mögliche Regelungseinrichtungen zur Konstanthaltung der Temperatur der Strahler 13 beziehungsweise 13' an.

Die gesamte Vorrichtung 2 ist, wie aus F i g. 4 hervorgeht, in Kippachsen 16 beziehungsweise ib^; eingehängt, so daß deren Einjustierung auf einen bestimmten Bereich des Mantels des Drehrohrofens 1 möglich ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende:

Das Prisma 9 wird mittels des Antriebes 12 in Umdrehungen versetzt, die unter Berücksichtigung der Ofendrehzahl, des öffnungswinkels des optischen Systems 7', sowie Eigenschaften des Infrarotsensors 7 derart abgestimmt sind, daß der Ofenmantel zeilenweise und flächendeckend abgetastet werden kann, und zwar fläohenelementweise derart, daß die Größe eines Flächenelementes auf dem Ofenmantel in etwa höchstens der Größe eines Ausmauerungssteines entspricht. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, lokale Überhitzungen, beispielsweise als Folge ausgebrochener Mauersteine, jedoch auch andere Störungen, wie beispielsweise Ringbildung zu erkennen.

Jeweils nach Abschluß des Meßvorgänges hinsichtlich einer Zeile des Mantels des Drehrohrofens 1, und zwar bevor das Meßergebnis dieser Zeile in irgendeiner Form zur weiteren Auswertung gelangt, findet eine Eichung mittels der, vorzugsweise auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Referenzstrahlern 13 beziehungsweise 13' statt. Die Temperatur der Referenzstrahler 13 beziehungsweise 13' kann beispielsweise mittels eines Thermoelementes gemessen werden, wobei dieser Meßwert dem Mikrorechner zwecks Auswertung in Zusammenhang mit dem durch den Infrarotsensor 7 übermittelten Meßwert übertragen wird. Hierbei wird aus dem Vergleich von wahrer und angezeigter Temperatur gegebenenfalls unter Einbeziehung weiterer geometrischer oder empirischer Faktoren ein Korrekturfaktor gebildet, so daß ein absoluter Temperaturmeßwert ermittelbar ist Der Einfluß einer zunehmenden Verschmutzung, insbesondere Verstaubung des Gehäuses 10 auf das Meßergebnis kann auf diese Weise eliminiert werden, da der Strahlengang des Drehrohrofens im wesentlichen den gleichen Staubbelastungen ausgesetzt ist, wie derjenige der Referenzstrahler 13 beziehungsweise 13'.

Weiterhin können bei der Ermittlung der absoluten Temperaturmeßwerte die Meßergebnisse von Referenzstrahlern Verwendung finden, die in der Nähe des Drehrohrofens angeordnet sind.

Die Schirmbleche 14 beziehungsweise 14' sind mit öffnungen bestimmter Größe und Reihenfolge ausgerüstet und dienen auf diese Weise als Signalgeber nicht nur für Anfang und Ende eines Meßvorganges, insbesondere einer Meßzeile, sondern auch einer geschw.ndigkeitsabhängigen Selbstkalibrierung des Systems.

Gleichzeitig verhindern die Schirmbleche eine unnötige Aufheizung des Gehäuses 10.

Gemäß Fi g. 5 ist das Prisma 9 auf der dem zu messenden Strahlengang abgekehrten Seite nit »inom zusätzlichen Spiegelelement 16 ausgerüstet. Dieses Spiegelelement wirkt mit einer externen Strahlungsquelle 17 und einem ebenfalls externen Strahlungsempfänger 18 zusammen. Die von der Strahlungsquelle 17 ausgehende Strahlung muß somit die Wandung des Gehäuses 10 zweimal passieren, bevor sie durch den Strahlungsempfänger 18 wieder aufgenommen wird, so daß aus dem Verhältnis von gesendeter und empfangener Leistung eine genauere Aussage über den Verstaubungsgrad des Gehäuses 10 gebildet werden kann. Strahlungsquelle 17 und -Empfänger 18 sind an irgendeiner, den Meßvorgang nicht behindernden Stelle angebracht, wobei Meßwerte für die jeweilige gesendete und die empfangene Leistung über die Leitungen 19 beziehungsweise 20 der Datenverarbeitungseinheit 3 übermittelt werden (Fig. 1). Auf diese Weise ist eine andere Möglichkeit zur Erfassung des Verstaubungsgrades des Gehäuses 10 gegeben, die alternativ oder ergänzend zu der in F i g. 3 und 4 bereits vorgestellten Möglichkeit eingesetzt werden kann. Eine derartige Verschmutzungsüberwachung mit automatisch ausgelöster Verschmutzungsmeldung ist beispielsweise dann erforderlich, wenn das Gehäuse 10 in Meßrichtung anders verschmutzen kann als vor den Referenzstrahlern.

Das Spiegeielement 16 kann sehr vorteilhaft anstelle eines Encoders zur Erzeugung von Triggerimpulsen benutzt werden.

Fig.6 schließlich zeigt eine besondere Ausführungsform des optischen Systems sowie der Umlenkeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher das rotierende Prisma 9 durch ein drehbar gelagertes Rad 21 niü polygonaler Kontur, im vorliegenden Faii ein Sechseck, dessen Stirnflächen zur Strahlungsführung verspiegelt sind, ersetzt ibt. Der Strahlengang verläuft hierbei ausgehend von dem Rad 21 über ein Abschlußfenster 22 in Richtung auf ein Parabolspiegelelement 23, einen sogenannten »off-axis-Spiegel« hin, von hier aus über einen planen Umlenkspiegel 24 und eine f.'snde 25 zu einem Halbleiterdetektor 26, welcher ein der einfallenden Strahlung entsprechendes elektrisches Signal abgibt.

Die Blende 26 dient der Raumfilterung und ist detektorseitig blank reflektierend, so daß der Einfluß einer Gehäusestrahlung auf den vorzugsweise thermoelektrisch gekühken Halbleiterdetektor minimiert wird. Der Halbleiterdetektor befindet sich in einer Halterung mit Feingewinde, welches zur Anpassung an den öffnungswinkel des Strahlenganges dient.

Das Parabolspiegelelement 23, der plane Umlenkspiegel 24, die Blende 25, der Halbleiterdetektor 26, sowie das Abschlußfenster 22 befinden sich innerhalb beziehungsweise an einem strichpunktiert, symbolisch dargestellten Sensorgehäuse 27, das beispielsweise aus einem Aluminiumblock hergestellt sein kann. In Richtung des Strahlenganges gesehen befindet sich hinter dem Abschlußfenster 22 ein Filter 28 sowie eine Irisblende 29 zur Begrenzung des eintretenden Strahlenbündels. Die Verwendung eines Parabolspiegelelementes 23 gewährleistet aus geometrischen Gründen im Verhältnis zu Spiegeln beziehungsweise Linsen mit sphärischen Grenzflächen eine genauere Strahlungsführung. Dieses durch das Sensorgehäuse 27 hermetisch

geschlossene System, in welches außerdem noch ein Vorverstärker und Einrichtungen zur thermoelektrischen Kühlung eingebunden sind, zeichnet sich durch einen besonders kompakten und robusten Aufbau aus.

Besonders vorteilhaft kann in dieses Sensorgehäuse 27 auch eine Umlenkeinrichtung, beispielsweise das Rad 21 mit einbezogen werden.

Das optische System der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist vorzugsweise aus widerstandsfähigen Materialien, wie zum Beispiel Quarz, Saphir oder metaltischen Oberflächenspiegeln ohne besonderen Schutz aufgebaut welches durch die erwähnte Selbstkalibrierung möglich ist Eine Reinigung kann, da sich die erfindungsgemäße Vorrichtung an leicht zugänglichen Stellen befindet in ein routinemäßiges Wartungsprogramm aufgenoncien werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands rotierender Drehtrommeln zur Durchführung thermischer Prozesse, insbesondere Drehrohröfen zur Behandlung feinkörniger Stoffe wie zum Beispiel Tonerde, Erz, Zementrohmehl, Kalk oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung der Oberfläche des Drehrohrofens (1) berührungslos gemessen wird, wobei aus der Temperaturverteilung in Verbindung mit anderen, den thermischen Prozeß und/oder den Betrieb des Drehrohrofens (1) beschreibenden Parametern ein den augenblicklichen Betriebszustand ;s des Drehrohrofens (1) und/oder dessen Änderungen charakterisierende/r Kennwert/e beziehungsweise Kennwert gebildet werden/wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als andere, den thermischen Prozeß beziehuaj|$weise den Betrieb des Drehrohrofens (1) beschreibende Parameter die Brennstoffzufuhr, die Rohmaterialaufgabe, die Drehzahl, die Antriebsleistung und/oder dergleichen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der Temperaturverteilung eine vom Drehrohrofen (t) ausgehende Infrarotstrahlung von einem ortsfesten Punkt aus zeilenweise abgetastet wird, wobei die ermittelten Meßwerte nach Maßgabe einer, ähnlichen Störeinflüssen ausgesetzten Messung der Temperatur wenigstens eLes Referenzstrahlers (13,13') bekannter Temperatur korrigiert werdet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Referenzstrahler (13, 13') eingesetzt werden, deren unterschiedliche Temperaturen charakteristischen Temperaturen des Drehrohrofens (1) entsprechen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Referenzstrahler eingesetzt wird, der in der Nähe des Drehrohrofens (1) angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Nähe des Drehrohrofens (1) angeordnete Referenzstrahler durch die Wärmestrahlung des Drehrohrofens beheizt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der beziehungsweise die Referenzstrahler (13,13') gleichzeitig als Signalgeber benutzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erfassung der Infrarotstrahlung ein Projektionsfehler insbesondere durch eine entsprechende Führung des Strahlengangs eines optischen Systems (7']l korrigiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erfassung der Infrarotstrahlung zur Korrektur eines Projektionsfehlers ein optisches System (7') mit sphärischen Linsen und einer entsprechend nachstellbaren Brennweite benutzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erfassung der Infrarotstrahlung zur Korrektur eines Projektionsfehlers der Astigmatismus eines optischen Systems (7') benutzt wird.

11. Vorrichtung zum berührungslosen Messen der

Oberflächentemperatur flächenhafter, insbesondere sich bewegender Meßobjekte, zum Beispiel rotierender Drehtrommeln zur thermischen Behandlung feinkörniger Stoffe wie Drehrohröfen, umfassend Funktionselemente zur Meßwertaufbereitung, die der Zuordnung von Temperaturmeßwerten zu elektrischen Signalen dienen, sowie Funktionselemente zur Meßwertgewinnung, welche einer einfallenden Infrarotstrahlung entsprechende elektrische Signale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionselemente zur Meßwertgewinnung von denjenigen zur Meßwertaufbereitung räumlich getrennt angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Meßwertaufbereitung dienenden Funktionselemente wenigstens einen Mikrorechner, Einheiten zur elektronischen Überwachung, Temperaturkalibrierung, Spannungsversorgung usw. umfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die der Meßwertgewinnung dienenden Funktionseiemente ortsfest an einem Punkt angeordnet sind, der beispielsweise oberhalb der Drehachse eines Drehrohrofens bzw. einer Drehtrommel (1) angeordnet ist

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die der Meßwertgewinnung dienenden Funktionselemente innerhalb eines Gehäuses (10) und wenigstens ein Referenzstrahler (13,13') von bekannter, konstant gehaltener Temperatur außerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Meßwertgewinnung dienenden Funktionselemente im wesentlichen ein optisches System (7') sowie einen Infrarotsensor (7) umfassen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (7') eine Umlenkeinrichtung zur Führung einer einfallenden Infrarotstrahlung in Richtung auf einen Infrarotsensor (7) hin enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Referenzstrahler (13, 13') und Umlenkeinrichtung wenigstens ein Schirmblech (14,14') angeordnet ist, das mit öffnungen zur Bildung von Steuer- beziehungsweise Meßsignalen ausgerüstet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung ein drehbar gelagertes Prisma (9), insbesondere ein 45°-Prisma ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung ein drehbar gelagertes Rad (21) mit polygonaler Kontur ist, dessen Stirnseiten zur Strahlungsführung verspiegelt ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung mit einem Antrieb (12) ausgerüstet ist, an dessen Abtriebswelle ein Encoder angebracht ist.

21. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (7') mit Mitteln zum Ausgleich eines Projektionsfehlers ausgerüstet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Ausgleich eines Projektionsfehlers im Verlauf des Strahlenganges

zwischen Umienkeinrichtung und Infrarotsensor (7) angeordnet ist

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Ausgleich eines Projektionsfehlers ein Linsensystem mit astigmatischen Abbildungseigenschaften ist

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Linsensystem wenigstens eine Zylinderlinse, ein Prisma oder ein ähnliche optische Verzerrungen bewirkendes EIement enthält

25. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Zusammenfassung wenigstens oines Parabolspiegelelementes (23) beziehungsweise eines sonstigen vergleichbaren \5 optischen Elementes und eines Infrarotsensors, insbesondere eines Halbleiterdetektors (26) in einem Sensorgehäuse (27).