DE3324664A1

DE3324664A1 - Thermo-elektronischer regelkreis zur absoluten strahlungs- und kontaktlosen temperaturmessung

Info

Publication number: DE3324664A1
Application number: DE19833324664
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Phys. 5060 Bergisch Gladbach Lange; Hartmut 5060 Bergisch-Gladbach Niebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1983-07-08
Publication date: 1985-01-17

Description

Thermo-elektronischer Regelkreis zur absoluten
Strahlungs- und kontaktlosen Temperaturmessung Die Erfindung betrifft einen thermo-elektronischen Regelkreis zur absoluten Strahlungs- und kontaktlosen Temperaturmessung thermischer Strahler vom langwelligen Irfrarot bis zum ultravioletten Spektralbereich, auch bei lnstationären Energieflußdichten,nach dem Oberbegriff des 1. Anspruches.
Meßtechnische Verfahrens bei denen ein elektronisches Regelungssystem selbstregulierend auf eine als Regelstrecke wirkende Empfangsvorrichtung rückkoppelt und damit automatisch interne Kompensationsleistungen steuert, deren Differenz unter Elimination thermischer Trägheiten und äußerer Störeinflüsse ausschließlich der zu messenden Strahlungsleistung äquivalent ist, sind nach unserer Meinung bisher nicht bekannt.
Der einschlägigen Fachliteratur läßt sich entnehmen (z.B. Solar Energy, Vol. 29, No. 3, PP 189-194, 1982), daß Absolutmessungen instationärer Wärmestrahlung auf thermischer Basis wegen der thermischen Trägheiten der Absorber bisher weder für möglich gehalten noch realisiert wurden. Auf der anderen Seite kann beim Studium entsprechender technischer Veröffentlichungen der Schluß gezogen werden, daß bei der Entwicklung besserer Meßmethoden enorme Anstrengungen unternommen werden wegen der große Bedeutung von Strahlungssensoren bei Meß-, Steuerungs- und Uberwachungsaufgaben in allen technischen Bereichen Herkömmliche Meßgeräte zur absoluten Strahlungsmessung werden im allgemeinen solange einer Dauerbestrahlung ausgesetzt, bis Gleichgewicht zwischen Strahlungsleistung und der pro Zeit vom Instrument abgegebenen Wärme an die Umgebung (durch Leitung, Konvektion und Abstrahlung) erreicht ist. Zur Eichung muß dem unbestrahlten - oder einem Referenzelement eine, der Strahlungsenergie äquivalente" elektrische Energie zugeführt werden, die der Temperaturerhöhung des bestrahlten Instruments entspricht.
Diese meßtechnischen Verfahren schließen eine direkte Messung instationärer Leistungsdichten wegen der nicht selbstregulierenden Rückkoppelung aus, da bis zum Erreichen des quasi-thermischen Gleichgewichtes mehrere Zeitkonstanten vergehen.
Die Meßergebnisse sind darüber hinaus mit Fehlern behaftet, da sich während der Aufheizzeit nicht nur die Strahlungsleistung, sondern auch die Umwelteinflüsse (Umgebungstemperaturen, Konvektions- und Abstrahlungsbedingungen) verändern können, so daß sich keine thermischen Gleichgewichte einstellen. Damit schließt die thermische Trägheit solcher Meßgeräte den Einsatz bei der Uberwachung und Steuerung schnell ablaufender Prozesse mit transienten Temperaturänderungen aus.
Strahlungssensoren, die nach dem photo-elektrischen Prinzip arbeiten (Photoelemente, Infrarotdioden, Infrarottransistoren, Photowiderstände u. dgl.), erlauben zwar dynamische, jedoch nur selektive Strahlungsmessungen. Sie sind wegen ihrer spektralen Empfindlichkeit nicht für Absolutmessungen und damit nicht universell einsetzbar. Ihr Anwendungsbereich beschränkt sich auf Temperaturstrahler mit begrenztem, von der spektralen Empfindlichkeit der Elemente abhängigen, Temperaturbereich, wobei individuell die spektralen Empfindllchkeitscharakteristiken der Sensoren berWicksichtigt werden müssen.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die aufgeführten Nachteile bisheriger Verfahren zur absoluten Strahlungsmessung, da sie aufgrund des thermo-elektronischen Regelungskonzeptes innere Energieänderungsgeschwindigkeiten dEi/dt = Ci. dTi/dt (Ci = Wärmekapazität der Komponente i) und äußere Störeinflüsse eliminiert Dies läßt sich insbesondere dadurch erreichten, daß die Regelungsparameter durch entsprechende Wichtung der PID-Anteile optimal an die Regelstrecke (Empfänger) angepaßt werden, so daß eine möglichst verzögerungs- aber schwingungsfreie Nachführung der Heizleistungen an die Strahlungsleistung und die externen Störungen gewährleistet ist.
Die Erfingung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig 5) nachfolgend erläutert.
Es zeigen; Fig. 1 Prinzipielle Darstellung des thermo-elektronischen Regelkreises mit zweifacher Regelung Fig. 2 Strahlungsempfänger und Blockchema des thermo-elektronischen Regelkreises Fige 3 Elektronische Heizvorrichtungen und Temperatur-Spannungsumsetzer Fig. 4 Prinzipdarstellung des thermo-elektronischen Regelkreises mit symmetrischen Strahlungsabsorbern Fig. 5 Symmetrische Strahlungsabsorber und Flußdiagramm des thermo-elektronischen Regelkreises Die prinzipielle Wirkungsweise des thermo-elektronischen Meßverfahrens ist in Fig. 1 dargestellt.
Auf die Regelstrecke AS (Empfangsvorrichtung (1) wirken als sogenannte Störgrößen neben der zu messenden Strahlungsleistung NS externe Einflüsse NA, die gleich sind der Summe der vom äußeren Mantel des Empfängers aufgenommenen (Einstrahlung) und abgegebenen (Abstrahlung, Konvektion) Wärme pro Zeit. Die Temperaturdifferenzen bT12 zwischen Absorber (3) und Referenzkörper (4), AT23 zwischen Referenzkörper und umgebendem Mantel (5) werden als Istwerte mit einstellbaren Sollwerten #T12soll' #T23soll verglichen und die Differenzen #T12,soll - T12' # T23,soll - #T23 als Regelabweichungen £12 623 dem Regelungssys-tem (2) zugeführt, das aus den. Reglern AR1, AR2 besteht.
Die Regler steuern die Heizleistungen NH1, NE2(Stellgrößen), die simultan mit NS, NA auf die Regelstrecke AS einwirken.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wirkt erfindungsgemäß NH1 auf den Strahlungsabsorber (3) und NH2 auf den Referenzkörper (4).
Mit Hilfe der thermodynamischen Bilanzgleichungen der Regelstrecke in Koppelung mit dem elektronischen Ubertragungsverhalten des Regelungssystems läßt sich beweisen, daß im eingeregelten Zustand die Regelabweichungen werden und somit die nachstehenden Zusammenhänge zwischen Strahlungsleistung NS, Störgrößen NA, Heizleistungen NH11 NH2 und den Wärmekapazitäten C1 (Strahlungsabsorber), C2 (Referenzkörper) und C3 (Außenmantel) bestehen: NS + #NH1 + NH10 - (NH20 + #NH2).C1/C2 = 0 #NH2 + NH20 - NA . C2/C3 = 0 das heißt: #NH2 - #NH1 + (NH20 - NH10) = NS + NA (C2 - C1) /c3 Die Differenz NH20 - NH10 ist eine Konstante und kann durch Trimmen der den Solltemperaturen #T12,soll, #T23,soll proportionalen Festspannungen U12,soll, U23,soll auf den Wert Null eingestellt werden.
Da gemäß der Erfindung C1 = C2 ist gilt: # NH2 - #NH1 = NH2 - NH1 = NS Damit entspricht die Differenz der Heizleistungen NH2 - NH ausschließlich der durch die Apertur des Hohlraumabsorbers (3) empfangenen Strahlungsleistung NS, wobei die Störungen NA und die Wärmekapazitäten C1, C2, C3 zwangsläufig eliminiert sind.
Fig. 2 zeigt zwei bevorzugte Ausführungen des Strahlungsempfängers (1) und das Blockchema des kompletten ther:rcelektronischen Regelkreises. Die Empfangsvorrichtung (1) als Regelstrecke, besteht aus einem zylindrischen, innen geschwärzten Hohlraumabsorber (3) mit einer zum Einlaß der zu messenden Strahlungsleistung NS versehenen Apertur (6), einem Referenzkörper (4), der die gleiche Wärm.ekapazität wie der Absorber besitzt und einem beide bis auf die Apertur umschließenden Außenmantel (5) Alle drei Komponenten bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Kupfer.
Damit ist annähernd eine homogene Temperaturverteilung in den einzelnen Komponenten gewährleistet, unabhängig, ob die inneren Energieänderungen durch interne Wärmequellen oder durch von außen einströmende bzw. nach außen abgegebene Wärme pro Zeit (NS, NA, N12, N23, N13) erfolgt.
Die Komponenten (3), (4), (5) sind durch schmale Spalte, die durch eine dünne Kunststoffolie ausgekleidet werden können1 voneinander getrennt.
Der Strahlungsabsorber (3) sowie der Referenzkörper (4) sind jeweils mit Heizvorrichtungen (14) versehen, deren Heizleistungen NH1, NR2 automatisch extern steuerbar sind.
Die Heizvorrichtungen bestehen aus spannungsgesteuerten Stromquellen, bei denen die Verlustwärmen von Darlingtontransistoren (7), (Fig. 2, Fig. 3) und der zugeordneten Heizdrähte (8), (Fig. 2, Fig. 3) als Lastwiderstände genutzt werden.
Prinzipiell können mehrere Transistoren, wie in Fig. 5 angedeutet ist, parallel geschaltet werden, wobei die Emitter durch Entkoppelungswiderstände (R < 1 # ) getrennt werden müssen. Da die Verlustwärmen der Stromquellen NH1 = UH1 U Uo/R NH2 = UH2 Uo/R sind, reduziert sich die Leistungsmessung auf eine lineare Spannungsdifferenzmessung: NS = NH2 - NH1 = (UH2 - UH1) U0/R Die Strahlungsleistung ist problemlos, ohne aufwendige Linearisierungsmaßnahmen, direkt analog (Schreiber o.ä.) bezw. digital anzeigbar UH1, UH2 werden an den Lastwiderständen der Heiztransistoren von (3), (4) abgegriffen und über Differenzenverstärker (15),(16) mit einstellbarem Empfindlichkeitsbereich und einstellbarem Nullpunkt auf die Meßanzeige (17) gegeben. Die Nullpunkteinstellung ist insofern von Bedeutung, wenn relativ geringe Leistungs- bzw. Temperaturdifferenzen bei einem hohen, absoluten Strahlungsniveau erfaßt werden sollen.
Zur Messung der Regelabweichungen (Temperaturdifferenzen) werden Si-Dioden mit aufgeprägtem Konstantstrom als Temperaturformer (9),(10),(Fig.3), (z.B. vom Univer saltyp 2N 4148) verwendet. Genutzt wird die konstante Spannungs-Temperaturabhängigkeit der Diodenflußspannung von ca.-2 mV/°C.
Im Strahlungsabsorber im Referenzkörper und im Außen mantel sind jeweils mehrere Dioden in Reihe geschaltet (Fig. 3) Aus der gleichmäßigen Verteilung der Dioden in den entsprechenden Komponenten ergeben sich die Vorteile, daß bei geringen, inhomogenen Temperaturverteilungen die effektiven Temperaturen der Komponenten (3), (4), (5) erfaßt werden und daß Diodentoleranzen weitgehend kompensiert werden.
Die den Temperaturdifferenzen #T12, #T23proportionalen Spannungsdifferenzen #U12, #U23 werden mit einstellbaren Solldifferenzspannungen 2SU12 solZ #U23,soll verglichen (11), wobei #T12,soll - #T12, #T23,soll - #T23 (12) den Regelabweichungen entsprechen Haben Strahlungsabsorber (3) und Referenzkörper (4) nicht nur die gleiche Wärmekapazität, sondern sind auch von gleicher Geometrie, so reicht ein PID-Regler aus, um die Temperaturdifferenz 2ST12 zwischen dem Strahlungsabsorber (3) und dem Referenzkörper (4) auf den Sollwert Null einzuregeln (Fig. 4) da die Störeinflüsse über den Außenmantel sich auf beide Komponenten gleichzeitig auswirken und sich damit gegenseitig aufheben.
Bei dieser Alternative ist zwischen dem PID-Regler und der Heizvorrichtung des Strahlungsabsorbers zusätzlich ein Invertierer (18) geschaltet (UH in - UH).
Dieser sorgt, bei möglichen,negativen Werten von UH während des Übergangsverhaltens infolge #T12,sol = 0, für eine eindeutige Steuerung der Stromquellen, da diese bei negativen Eingangsspannungen sperren.
Es gilt:

0 für UH # 0

NH1 = # ~ UH für UH < 0

~ UH für UH # 0

NH2 = # 0 für UH < 0

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, läßt sich der wohlraum des Strahlungsabsorbers kegelförmig gestalten. Dadurch wird ein noch höherer, integraler Strahlungsabsorptionse grad als bei Zylinderabsorbern, erreicht, da die Normalen auf die strahlungsabsorbierenden Flächenelemente nicht in Richtung Apertur zeigen und damit wegen des D'Lambertschen Cosinusgesetzes für diffuse Streustrahlung die Streuverluste durch die Hohlraumöffnung geringer sind.
Das thermo-elektronische Verfahren zur automatischen Messung der Energieflußdichte von Wärmestrahlung zeichnet sich neben der Erfassung eines großen spezifischen Leistungsbereiches von W/m² bis MW/m² durch vielfältige, technisch-physikalische Einsatzmöglichkeiten aus.
Das Anwendungsspektrum,bei Temperaturstrahlern bis hin zu mehreren looo K, für Meß-, Regelungs- und Uberwachungsaufgaben beinhaltet u.a.: - Messung der Wärmeabgabe von Temperaturstrahlern (Heizkörper, Gebäude, maschinentechnische Komponenten, Behälter usw.), - Ortung von Wärmesenken und Wärmequellen, - Ermittlung optischer Eigenschaften von Materialien (Durchlässigkeit, Absorption, Reflexion), - berührungslose Temperaturmessung und -überwachung, - Erfassung instationärer Temperaturverteilungen und transienter Temperaturänderungen thermisch belasteter Strukturen, - kontaktlose Uberwachung und Regelung chemischer und physikalischer Hochtemperaturprozesse, - Ortung und Verfolgung infrarot strahlender Gaswolken, - medizinische Überwwachung menschlicher Körper' regionen auf Wärmeabstrahlungs- und Temperaturverhalten, ~ - Strahlungsspektroskopie mit Hilfe selektiver Filter.
- L e e r s e i t e -

Claims

Patentansprüche 1 j Thermo-elektronischer Regelkreis zur absoluten Strahlungs-und kontaktlosen Temperaturmessung, auch bei instationären Energieflußdichten vom langwelligen Infrarot bis zum ultravioletten Spektralbereich, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine Vorrichtung (1), bestehend aus einem innen geschwärzten, heizbaren, zylindrischen Hohlraumabsorber (3) hoher Wärmeleitfähigkeit, einem heizbaren Reterenzkörper (4) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und gleicher Wärmekapazität wie der Hohlraumabsorber sowie einem gut wärmeleitenden, den Absorber und Referenzkörper bis auf die Apertur (6) des Hohlraumabsorbers umschließenden Außermantel (5), die Regelstrecke (1) eines thermo-elektronischen Regelsystems (2) bildet, bei dem ein zweifacher, elektronischer PID-Regler unabhängig von der absoluten Strahlungsleistung und äußerer Störeinflüsse die Temperaturdifferenzen zwischen Hohlraumabsorber und Referenzkörper, Referenzkörper und Außenmantel auf vorgegebene, feste Sollwerte einregelt, wobei die Regler die internen elektrischen Heizleistungen (14) im Absorber und im Referenzkörper derart aktivieren, daß die Differenz beider Heizleistungen unabhängig von Störeinflüssen auf den Außenmantel durch Konvektion, Strahlung, Umgebungstemperatur usw. stets der durch die Apertur des Hohlraumabsorbers empfangenen Strahlungsleistung äquivalent ist
2. Thermo-elektronischer Regelkreis nach Anspruch 1, d a -d u x c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beide Heizvor richtungen (14) aus identischen, spanungsgesteuerten Transistorstromquellen bestehen, bei denen die Verlustwärme eines oder mehrerer, parallel geschalteter Darlingtontransistoren (7) und die dazugehörigen Heizdrähte (8) als Lastwiderstände die Heizenergie pro Zeit liefern, wobei die Heizleistungen proportional zu den Ausgangsspannungen der PID-Regler sind, so daß die Strahlungsmessung einer linearen Spannungsdifferenzmessung entspricht.
3. Thermo-elektronischer Regelkreis nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Hohlraumabsorber (3), im Referenzkörper (4) und im Außenmantel (55 gleichmäßig verteilte, in Serie geschaltete Dioden (9) mit aufgeprägtem Konstantstrom als TemperaturfÜhler (Temperatur-Spannungsformer) dienen, wobei die den Temperaturdifferenzen proportionalen Spannungsdifferenzen (11) mit einstellbaren Referenzspannungen, die den Solldifferenztemperaturen proportional sind, verglichen werden und über Differenzverstärker (12) als Regelabweichungen den PID-Reglern (13) zugeführt werden.
4 Thermo-elektronischer Regelkreis nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Referenzkörper (4) aus einer zylindrischen Scheibe gleichen Außendurchmessers wie der Hohlraumabsorber (3) besteht; diametral zur Absorberapertur (6) angeordnet ist und die gleiche Rotationsachse besitzt oder der Referenzkörper aus einem Zylinder mit Bodenplatte, der um den Kohlraumabsorber angeordnet ist, besteht, wobei jeweils Hohlraumabsorber - Referenzkörper, Hohlraumabsorber - Außenmantel, Referenzkörper - Außenmantel, durch einen Luftspalt oder eine dünne Isolationsfolie mit kleiner Wärmekapazität voneinander getrennt sind.
5. Thermo-elektronischer Regelkreis nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Referenzkörper (4) mit dem Hohlraumabsorber (3) sowohl in der Wärmekapazität als auch in der geometrischen Konfiguraticn symmetrisch ist und daß ein elektronischer PID-Regler (13, die Temperaturdifferenz zwischen Hohlraumabsorber und Referenzkörper auf den Wert Null einregelt, wobei der Regler im Referenzkörper eine Heizleistung einstellt, die der vom Hohlraumabsorber empfangenen Strahlungsleistung entspricht.
6 Thermo-elektronischer Regelkreis nach Anspruch 1 bis 51 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum des Strahlungsabsorbers (3) zur besseren Strahlungsabsorption die Form eines Hohlkegels mit spitzen Offnungswinkel hat mit einer Apertur (6) auf der Kegelgrundfläche.