DE3447724A1

DE3447724A1 - Verfahren zur temperaturmessung in einem hochdruckofen einer isostatischen warmpresse

Info

Publication number: DE3447724A1
Application number: DE19843447724
Authority: DE
Inventors: Takefumi Kobe Horiuchi; Masayoshi Hyogo Iwasaki; Takeshi Hyogo Kanda; Yoshio Kobe Kawate; Masato Moritoki; Shigeki Osaka Tojyo; Tatsuo Uesaka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1985-07-04
Anticipated expiration: 2004-12-22
Also published as: DE3447724C2; USRE33245E; US4666314A

Description

KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO G 54843-su

3-18/ Wakinohama-cho 1-chome,
Chuo-ku, Kobe 651, Japan

Verfahren zur Temperaturmessung in einem Hochdruckofen einer isostatischen Warmpresse "*-,._

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung, insbesondere ein Verfahren zur Temperaturmessung höherer Genauigkeit in einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Atmo-Sphäre, wie zum Beispiel in einer isostatischen Warmpresse.

Bei verschiedenen industriellen Prozessen ist die Temperaturmessung eine von wichtigen Arbeitsabläufen, und es ist oft erforderlich, die Temperatur bei einem Prozeß zu messen und sie an einen im Abstand befindlichen Ort für die Steuerung und überwachung des Temperaturzustandes des relevanten Prozesses zu übertragen. Insbesondere bei der isostatischen Warmpreßbehandlung, die zum Beispiel zum Formpressen von keramischem Pulver oder zum Pressen oder Verfestigen der Struktur von Hartmetall-Legierungen verwendet wird, ist es in hohem Maße wünschenswert, die Temperatur und ihre Verteilung in einem Hochtemperatur- und Hochdruckofen mit jefewünschter Genauigkeit zu messen

und die Atmosphäre in dem Ofen in einem optimalen Zustand zu halten, der auf der so gemessenen Temperaturinformation beruht.

Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, sind bereits verschiedene Temperatürmeßeinrichtungen vorgeschlagen und entwickelt worden, zum Beispiel Thermoelemente sowie verschiedene Arten von Thermometern, wie zum Beispiel Gasthermometer, Rauschthermometer, Fluidthermometer und Strahlungsthermometer. Diese herkömmlichen Temperaturmeßeinrichtungen haben sich jedoch als nicht zufriedenstellend erwiesen.

Beispielsweise besteht zunächst einmal eine Schwierigkeit darin, die Temperaturinformation aus dem Innenraum eines Hochtemperaturofens nach außen zu bekommen. Gemäß einem Experiment, das von dem Battle Memorial Institute berichtet wurde und bei dem Wärmestrahlung von der Innenseite des Ofens durch ein optisches Fenster aus Saphir, das an der Konstruktion eines Druckkessels des Ofens angebracht war, herausgebracht wurde (D. C. Carmioheal, P. D. Ownby, E. S. Hodge, "Hot Isostatic of Graphite" BML - 1746 (1965)), wurde das optische Fenster aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Druckes beschädigt, was einen extrem gefährliehen Zustand hervorrief. Das optische Fenster wurde durch die durch sie hindurchdringende Wärmestrahlung übermäßig erhitzt, was die Festigkeit des Saphirfensters reduzierte und unter der Wirkung des hohen Druckes die Gefahr seiner Zerstörung mit sich brachte.

Außerdem erfordert die Anbringung des optischen Fensters am Druckkessel eine öffnung, die im Druckkessel ausgebildet wird, was naturgemäß die Druckfestigkeit des Gefäßes oder Behälters reduziert. Unter anderem kann im Falle einer isostatischen Heißpreßvorrichtung, bei der Hochdruckgas im Innenraum des Druckgefäßes eingeschlossen ist, die Zerstörung des optischen Fensters oder des Druckgefäßes zu verhängnisvollen Unfällen führen und somit

schwerwiegende Probleme im Hinblick auf die Sicherheit aufwerfen.

Es gibt noch ein weiteres Problem bei der übertragung der aus dem Ofen aufgenommenen Temperatur. Die Temperaturinformation, die mit den oben erwähnten Thermoelementen oder Strahlungsthermometern zur Außenseite des Ofens herausgebracht wird, wird in Form von elektrischen Signalen mit einem Kabel oder einer anderen Leitung übertragen, die sich zu einem im Abstand befindlichen Ort zur Steuerung und überwachung des Ofens erstrecken, wobei Rauschen, aufgrund der elektromagnetischen Induktion oder dergleichen, in die Übertragungsleitung eindringen wird.

In Anbetracht dessen ist die Verwendung von optischen Fasern für die Aufnahme der Strahlungsenergie im Ofen als Strahlungslicht und für ihre Übertragung über eine optische Strecke in jüngerer Zeit vorgeschlagen und entwickelt worden. Beispielsweise ist in der JP-OS 129827/1981 ein Thermometer unter Verwendung einer optischen Faser vorgeschlagen, wobei Strahlungswärme von einem Wärmestrahlungstarget, das sich an der Einfallsendfläche einer optischen Faser befindet, verwendet wird, und das so aufgefangene Strahlungslicht wird durch die optische Faser übertragen und dann für die Messung der Temperatur mit einem geeigneten Wandler in elektrische Signale umgewandelt. Das Problem der Konstruktionsbeschädigung im Temperaturaustrittsbereich des Ofens oder des Ofenkörpers selbst kann somit überwunden und auch die Einführung von Rauschen beseitigt werden, da die Information durch ein optisches System übertragen wird.

Wenn sich jedoch das Wärmestrahlungstarget auf einer extrem hohen Temperatur befindet, wird die optische Faser geschmolzen oder entglast, was eine Ungenauigkeit oder sogar die Unmöglichkeit der Temperaturmessung mit sich bringt. Wenn außerdem die optische Faser, so wie sie ist, unter hohem Druck und hoher Temperatur im Innenraum des Ofens

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angeordnet wird, würde die optische Faser in übermäßiger Weise erhitzt und aufgelöst, da sie der Leitung und Konvektion des Druckmediums bei hoher Temperatur in dem Ofen ausgesetzt ist, was außerdem eine Änderung in der optisehen Ablenkung bewirkt.

Ferner kann die im Ofen angeordnete optische Faser in unerwünschter Weise das periphere Strahlungslicht zusätzlich zu dem Strahlungslicht von dem Target auffangen, so daß eine derartige Bestrahlung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser erfolgt. Ein derartiges peripheres Licht würde, in Abhängigkeit vom jeweiligen Falle, eine Verfälschung der Temperatur ergeben.

Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung von optischen Fasern auftritt, besteht in der Staubverunreinigung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser, die dem Target gegenüberliegt. Eine derartige Verunreinigung wird zu einem Abfall oder einer Verringerung der Lichtmenge führen, die auf die optische Faser auftrifft, und Rauschen in der verarbeiteten Information hervorrufen. Wenn bei der Messung der Strahlungstemperatur unter Verwendung der optischen Faser beispielsweise die Einfalls-Endfläche der Faser verunreinigt wird, so daß die optische Lichtmenge abnimmt, so wird eine Temperatur angezeigt, die niedriger ist als der tatsächliche Temperaturpegel.

Um die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, ist gemäß der Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Temperaturmessung im Ofen für einen isostatischen Warmpreß-Prozeß unter Verwendung von optischen Fasern als Temperatur-Aufnahmeeinrichtung entwickelt worden, die die hohe Temperatur in dem Ofen aushalten kann und für eine genaue Temperaturmessung sorgt und die frei von den Nachteilen aufgrund des peripheren Streulichtes oder der Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der jeweiligen Faser ist.

—Jo —

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Temperaturmessung in dem Ofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung anzugeben, die Temperaturen mit hoher Genauigkeit messen und die hohen Temperaturen ohne Schmelzdefekt aushalten kann.

Weiterhin ist mit der Erfindung angestrebt, ein Verfahren zur Temperaturmessung im Ofen einer isostatischen Warmpresse anzugeben, die für eine genaue Messung der Temperatur oder der Temperaturverteilung sorgt und dabei frei von dem Effekt des peripheren Lichtes ist, das sonst eine fehlerhafte Messung hervorrufen würde.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Temperaturmessung im Ofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung anzugeben, das frei von dem Nachteil der Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser ist, die einen Meßfehler hervorrufen kann.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Temperaturmessung in einem Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung angegeben, wobei eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung im Innenraum eines Hochdruckbehälters angeordnet sind, um den Hochdruckofen zu bilden, um bei dem darin enthaltenen und zu bearbeitenden Material eine isostatische Warmpreßbehandlung durchzuführen, wobei ein Rohr mit geschlossenem Ende, dessen Innenseite mit dem Innenraum des Hochdruckofens in Verbindung steht, und das die Hindurchleitung eines Druckmediums ermöglicht, in dem Ofen angeordnet ist, ein Einfallskopfende einer optischen Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder äquivalente optische Stabelemente am offenen Ende des Rohres mit Endabschluß angeordnet sind, so daß sie in der Lage sind, thermisch ausgestrahltes Licht von der Innenseite des Ofens zu empfangen, wobei ein rückseitiges Ausgangsende durch eine Abdeckung und zur Außenseite des Hochdruckbehälters geführt ist und ein Meßsystem an das rückseitige Ausgangsende angeschlossen ist, um die Wärmestrahlungsenergie bzw.

-leistung von dem Kopfende des Rohres mit Endabschluß abzutasten und dadurch die Temperatur im Inneren des Ofens zu messen.

Da die optischen Fasern oder dergleichen innerhalb des Rohres mit geschlossenem Ende angeordnet sind, kann eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturmessung erhalten werden, und zwar ohne das unerwünschte Schmelzen der optischen Faser und frei von dem Effekt der Warmekonvektion und somit der Änderung der optischen Ablenkung. Da außerdem die Einfalls-Endfläche der optischen Faser sich in dem Rohr mit geschlossenem Ende befindet, kann eine Verunreinigung an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser verringert und die Meßgenauigkeit verbessert werden.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Messung der Temperaturverteilung in dem Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung angegeben, wobei eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung im Inneren eines Hochdruckbehälters angeordnet sind, um einen Hochdruckofen zu bilden, um das darin enthaltene und zu verarbeitende Material einer isostatischen Warmpreßbehandlung zu unterziehen, wobei eine Vielzahl von mit geschlossenen Enden versehenen Rohren jeweils unterschiedlicher Länge, die mit ihrer Innenseite mit dem Innenraum des Hochdruckofens in Verbindung stehen und die Hindurchleitung von Druckmedium ermöglichen, vorgesehen sind, wobei das Kopfende für jedes der Rohre mit geschlossenem Ende so angeordnet ist, daß es im Gleichgewicht mit der peripheren Temperatur ist und Wärmestrahlung, die den jeweiligen Heizzonen entspricht, an die Innenseite eines jeweiligen Rohres mit geschlossenem Ende abgibt, wobei ein Einfallskopfende einer optischen Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente am offenen Ende für jedes der Rohre mit geschlossenen Enden angeordnet sind, so daß sie in der Lage sind, das thermisch abgestrahlte Licht von der Innenwand von jedem der Rohre mit geschlossenem Ende zu empfangen, und

wobei ein rückseitiges Ausgangsende davon durch eine Abdeckung und zur Außenseite des Hochdruckbehälters geführt ist. Ein Meßsystem ist an jedes der rückseitigen Ausgangsenden angeschlossen, um die Wärmestrahlungsenergie oder -leistung von der Innenwand der jeweiligen Rohre mit geschlossenem Ende zu messen. Dabei wird eine Kompensation vorgenommen, um die Wärmestrahlungsenergie bzw. -leistung, die von der Innenwand von jedem der Rohre mit geschlossenen Enden in die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder das entsprechende stabförmige optische Element, zu subtrahieren, um eine Temperatur aufgrund der Wärmestrahlungsenergie von dem Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende in jeder der Heizzonen in dem Hochdruckbehälter herauszubekommen und dadurch die Temperaturverteilung in der Heizzone im Ofen zu messen.

Da sich bei dem oben beschriebenen Meßverfahren eine Vielzahl von optischen Fasern innerhalb einer Vielzahl von entsprechenden Rohren mit geschlossenen Enden befindet, um die Strahlungswärme in verschiedenen Höhen des Ofens aufzunehmen, und da weiterhin die mit den optischen Fasern aufgenommene Temperaturinformation mathematisch verarbeitet wird, um das periphere Strahlungslicht zu kompensieren, das sonst Meßfehler hervorrufen würde, kann die Temperatur oder seine Verteilung innerhalb des Ofens mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Außerdem kann bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung die Verunreinigung, die sich bei der Einfalls-Endflache der optischen Fasern ergab, durch ein Verfahren zur Temperaturmessung im Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung eliminiert werden. Dabei wird eine optische Referenzquelle vorgesehen, und das Referenzlicht von dieser tritt in die Ausgangs-Endfläche der optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern oder entsprechender stabförmiger optischer Elemente ein, um die Strahlungsenergie im Ofen aufzunehmen, wobei das Reflexionslicht von der anderen Endfläche (der

-v-

Einfalls-Endfläche für die Strahlungsenergie aus dem Ofen) der optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente aufgrund des einfallenden Referenzlichtes zusammen mit der Strahlungsenergie aus dem Innenraum des Ofens aufgenommen wird, wobei die so aufgenommene Energie anschließend in das Strahlungslicht von dem Innenraum des Ofens und das reflektierte Referenzlicht getrennt wird, um den gesamten optischen Transmissionsfaktor für die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente zu bestimmen, und zwar einschließlich der Verluste an ihren Endflächen, wobei die optische Information aufgrund der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens aufgrund des Transmissionsfaktors verbessert wird.

Da bei dem oben beschriebenen Meßverfahren der Verunreinigungsfehler durch die Verwendung von Referenzlicht und die anschließende mathematische Kompensation ausgeglichen werden kann, sind mühsame und schwierige Reinigungsarbeiten im Hinblick auf die Verunreinigung nicht mehr erforderlich, was einen großen Beitrag für die Verringerung der Wartungsund Reparaturarbeiten mit sich bringt.

Die Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser kann auch bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung mit einem Verfahrens beseitigt werden, bei dem eine Referenzlichtquelle, eine erste optische Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elementen zur Aufnahme der Strahlungsenergie im Ofen sowie eine zweite optische Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente, die sich von ihnen unterscheiden, vorgesehen sind. Das Referenzlicht von der Referenzlichtquelle wird durch die zweite optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente zur Einfalls-Endfläche der ersten optischen Faser, des Bündels von

optischen Fasern oder der anderen entsprechenden stabförmigen optischen Elemente eingestrahlt, wobei das Referenzlicht zusammen mit der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens herausgeholt wird und durch die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen stabförmigen optischen Elemente hindurchgeht. Danach wird die so herausgeholte Energie in das Strahlungslicht von der Innenseite des Ofens und in das Referenzlicht getrennt, um den gesamten Transmissionsfaktor der ersten optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern und der anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente einschließlich der optischen Verluste an ihren Endflächen zu bestimmen, wobei die optische Information aufgrund der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens aufgrund des Transmissionsfaktors kompensiert bzw. korrigiert wird.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges

zwischen der Abtastwellenlänge und dem Temperaturmeß fehler;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der Wärmestrahlungsleistung von der Abtastwellenlänge;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Gesichtswinkels einer optischen Faser in einem Rohr mit geschlossenem Ende;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der Temperaturanalyse von der Abtastwellenlänge;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Kompensationsverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 6a bis 6d schematische Darstellungen zur Erläuterung der jeweiligen Formen am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende;

Fig. 7a und 7b Diagramme zur Erläuterung der Temperaturänderung an der Seitenwand des jeweiligen Rohres;

Fig. 8A einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin- IQ dungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 8B einen schematischen Querschnitt einer anderen

Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 9a bis 9c vergrößerte Querschnitte, die einen Teil

der Anordnung gemäß Fig. 8 entsprechen und Dichtung sanordnungen für die optische Faser zeigen;

Fig. 10a bis 10c schematische Querschnitte von anderen Ausführungsformen der Vorrichtung;

Fig. 11a bis 11d schematische Darstellungen eines Kollimators, der am Rohr mit geschlossenem Ende angebracht ist;

Fig. 12a und 12b vertikale Querschnitte von Rohren mit geschlossenem Ende zur Erläuterung einer typischen Anordnung eines in dem Rohr ausgebildeten gO Druckausgleichsloches;

Fig. 13 einen vergrößerten Querschnitt zur Erläuterung

einer anderen Anordnung des Druckausgleichsloches;

ge- Fig. 14a bis 14d schematische Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Ausführungsformen eines Halters für die optische Faser;

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Fig. 15a und 15b schematische Vorder- und Seitenansichten zur Erläuterung der Verbindung der optischen Faser mit dem Faserhalter;

Fig. 16 eine schematische Darstellung der Verbindung der optischen Faser mit einem Meßsystem;

Fig. 17a bis 17c Blockschaltbilder für das Strahlungsthermometer und den Lock-in-Verstärker, die bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet

werden;

Fig. 18 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des gemäß der Erfindung verwendeten Prinzips für das Verfahren zur Messung der Strahlungstempera

tur;

Fig. 19 und 20 schematische Darstellungen zur Erläuterung von Meßsystemen für die Temperaturverteilung im ^ofen'

Fig. 21 ein Blockschaltbild eines Rechners zur Verwendung bei den Meßsystemen gemäß Fig. 19 und 20;

Fig. 22a und 22b perspektivische Darstellungen der jeweiligen Anordnungen von Rohren mit geschlossenem Ende bei verschiedenen Ausführungsformen von Drei-Zonen-He i ze inr ichtungen;

gO Fig. 23a bis 23c schematische Darstellungen zur Erläuterung der Montage der in Fig. 22b gezeigten Rohre mit geschlossenem Ende integraler Bauart, wobei Fig. 23a eine vordere Seitenansicht, Fig. 23b eine obere Draufsicht und Fig. 23c eine seitliche Seitenansicht zeigen;

-vt-

X Fig. 24 ein Flußdiagramm für die Messung der Temperaturverteilung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung;

Fig. 25 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Temperatur und dem Abstand von dem

offenen Ende des Rohres mit geschlossenem Ende;

Fig. 26 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Wärmestrahlungsieistung, die auf die optische Faser auftrifft, und der Temperatur am

Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende; und in

Fig. 27 bis 29 Blockschaltbilder zur Erläuterung von verschiedenen Schaltungen zur Kompensation bzw.

Korrektur der Verunreinigungen, die an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser hervorgerufen werden, zur Verwendung bei den Meßverfahren gemäß der Erfindung.

Das Verfahren zur Temperaturmessung im Ofen von isostatischen Warmpreßvorrichtungen gemäß der Erfindung kann in verschiedensten Ausführungsformen realisiert und durchgeführt werden. Vor der detaillierten Beschreibung von den jeweiligen derartigen Ausführungsformen werden nachstehend das Prinzip und die wesentlichen Züge des Verfahrens, die den jeweiligen Ausführungsformen gemein sind, kurz beschrieben.

Ein Rohr mit geschlossenem Ende ist an der Innenseite eines Hochdruckofens in einer isostatischen Warmpreßvorrichtung angeordnet, und eine Einfalls-Endfläche einer optischen Faser ist an der öffnung des Rohres mit geschlossenem Ende so angeordnet, daß das von der Innenseite des Ofens ausgestrahlte Licht an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser empfangen werden kann, und die Wärmestrahlungsleistung vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende wird durch die optische Faser vom Druckbehälter zur

Außenseite des Ofens geführt und dann von einem Meßsystem verarbeitet, das an das Ausgangsende der optischen Faser angeschlossen ist, um die Temperatur im Innenraum des Ofens zu messen. In diesem Falle befindet sich die optisehe Faser an einem Teil des Rohres mit geschlossenem Ende, das auf relativ niedriger Temperatur ist, so daß ein gewisser Abstand zwischen dem Wärmestrahlungsteil und der Einfalls-Endfläche der optischen Fasern besteht, die innerhalb des Rohres mit geschlossenem Ende eingeschlossen sind. Das Temperaturstrahlungsteil kann am geschlossenen Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende angeordnet sein.

Das Rohr mit geschlossenem Ende besteht üblicherweise aus wärmebeständigem Material, wie zum Beispiel Wolfram, Molybdän, Bornitrid und Graphit. Ein Halter ist an der öffnung des Rohres mit geschlossenem Ende angebracht, durch welches eine optische Faser hindurchgeht, welche die thermisch abgestrahlte Wärme vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende durch die untere oder obere Abdekkung des Hochdruckbehälters der isostatischen Warmpreßvorrichtung zur Außenseite des Ofens leitet. Das zur Außenseite des Ofens geführte Strahlungslicht wird mit einer Helligkeits-Temperatur-Wandlung, einer Zweifarben-Temperaturoperation oder dergleichen in eine Temperatur umgewandelt, und die Wärmestrahlung, insbesondere die Wärmestrahlungslexstung, wird mit einem Meßsystem gemessen, das ein daran angeschlossenes Strahlungsthermometer aufweist.

Üblicherweise wird eine Si-Photodiode als photoelektronisches Umwandlungselement für das Strahlungsthermometer verwendet. Da jedoch die spektrale Empfindlichkeit der Si-Photodiode bei einer Wellenlänge von ungefähr 0,4 μπι plötzlich abnimmt, kann eine Photonenzähleinrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen Photomultipliers für die Messung der Strahlungswärme bei einer Wellenlänge von weniger als 0,4 μΐη verwendet werden.

χ Das Prinzip der Temperaturmessung im Inneren des Ofens aufgrund der Wärmestrahlungsleistung/ die auf die optische Faser auftrifft bei dem hier beschriebenen Verfahren, ist beispielsweise aus der JP-OS 129827/1981 bekannt. Als hierbei verwendbare optische Faser kann zusätzlich zu einer einzelnen Faserlitze ein Bündel von optischen Fasern verwendet werden, um die Unzulänglichkeit hinsichtlich der optischen Lichtmenge und der Festigkeit der Faser zu kompensieren bzw. zu beseitigen. Weiterhin können stabförmige optische Elemente, wie zum Beispiel Glas- oder Saphirstäbe, verwendet werden, welche die gleiche Funktion haben.

übrigens kann, da die optische Faser zur Führung der Strahlungswärme beim Verfahren zur Temperaturmessung gemäß der Erfindung einen weiten Gesichtswinkel hat, die Strahlungswärme auch von der Seitenwand des Rohres mit geschlossenem Ende mit einer Temperaturverteilung eintreten, die sich zu der Strahlungswärme vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende addiert und die einen Fehler bei der Messung der Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende hervorruft.

Um diesen erwähnten Fehler zu verringern, wird die Wellenlänge des Strahlungsthermometers bei der Messung der Temperatur verkürzt, so daß die Wirkung der Strahlungswärme von der Seitenwand, das heißt, eines Bereiches niedrigerer Temperatur, im Hinblick auf die Tatsache reduziert wird, daß die Temperatur am Kopfende niedriger.ist als die Temperatur am Boden des Rohres mit geschlossenem Ende.

Fig. 1 zeigt den Fehler bei der Temperaturmessung, wenn Strahlungslicht durch eine optische Faser übertragen wird, die einen Kerndurchmesser von 400 μπι besitzt und in einem mit geschlossenem Ende versehenen Rohr von 1 m Länge und 10 mm Durchmesser angeordnet ist, und anschließend einer Helligkeits-Temperatur-Wandlung unterworfen wird, wobei der Fehler ausgedrückt ist als Schwankungswert bei der angegebenen Temperatur des Strahlungsthermometers, wenn

die Temperatur am Boden des Rohres mit geschlossenem Ende sich zwischen 300 ⁰C bis 700 ⁰C ändert, wobei angenommen wird, daß die Temperaturverteilung an der Seitenwand des Rohres mit geschlossenem Ende monoton von dem Boden zum Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende zunimmt. Aus der Zeichnung läßt sich ersehen, daß der Fehler bei der Messung der Temperatur in der Nähe von 2000 ⁰C auf weniger als 1 % unterdrückt werden kann, indem man die Abtast- oder Meßwellenlänge auf weniger als 0,6 μπι einstellt.

Genauer gesagt, die Abtastwellenlänge von weniger als 0,6 μπι wird wirksam sein, um den Fehler für die Temperaturmessung innerhalb eines Bereiches von +1 % in einem Falle zu unterdrücken, wo die Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende beispielsweise bei ungefähr 1000 ⁰C (der Temperatur des Targets) liegt.

Im Falle der Temperaturwandlung mit einer Zweifarben-Temperaturoperation kann der Fehler der Temperaturmessung ebenfalls verringert werden, indem man die Abtastwellenlänge oder Meßwellenlänge verkürzt. Wenn beispielsweise die Temperatur an der Öffnung (Bodenende) des Rohres mit geschlossenem Ende sich von 300 ⁰C bis 700 ⁰C ändert, wobei die Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende bei 2000 ⁰C liegt, wird die TemperatürSchwankung berechnet als 5 ⁰C im Falle der Abtastwellenlänge von 0,4 μπι und 0,42 μπι, als 24 ⁰C im Falle der Wellenlänge von 0,50 lim und 0,52 μπι, und als 42 ⁰C im Falle der Wellenlänge von 0,6 μπι und 0,62 μπι. Dementsprechend läßt sich erkennen, daß die Abtastwellenlänge auf weniger als 0,6 μπι zu verringern ist, um den Fehler bei der Temperaturmessung auf weniger als 1 % herunterzudrücken.

Wie oben angegeben, kann somit der Fehler bei der Temperaturmessung verringert werden, wenn die Wellenlänge kürzer wird. Andererseits ist es schwierig, die Temperatur bei einer Wellenlänge von weniger als 0,2 μπι zu messen, und zwar im Hinblick auf die Beschränkung für das optische

— νο-Material, und somit ist der untere Grenzwert für die Wellenlänge vor2ugsweise 0,3 μπι.

Nehmen wir an, daß eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 400 um und einem in Fig. 3 dargestellten Gesichtswinkel θ von 24° am mit geschlossenem Ende versehenen Rohr von 1 m Länge und 10 mm Durchmesser angebracht wird und daß weiterhin die Temperatur an einer Rohrwand mit einem linearen Anstieg vom Boden des Rohres mit geschlossenem Ende bei einer Temperatur von 300 ⁰C zum Kopfende ansteigt, so läßt sich die Wellenlängenabhängigkeit der Wärmestrahlungsleistung, die von dem Rohr mit geschlossenem Ende auf die optische Faser auftrifft, in der in Fig. 2 dargestellten Weise ausdrücken. Dementsprechend läßt sich entnehmen, daß keine wesentliche oder relevante Temperaturmessung erhalten werden kann bei einer Abtastwellenlänge von weniger als 3 μΐη, und zwar unter Berücksichtigung der Wellenlängen-Transmissionseigenschaften des optischen Materials, wie zum Beispiel einer Kondensorlinse auf der Detektorseite der optischen Faser, und der Empfindlichkeitseigenschaften des Photomultipliers PM für die Abtastwellenlänge.

Die vorstehend erläuterten Zusammenhänge ergeben sich auch aus dem Problem des Temperaturanalysevermögens. Das Temperaturanalysevermögen wird definiert, indem man den Rauschabstand 2 (der Rauschabstand ist notwendigerweise größer als 1, um das Photomultiplier-Ausgangssignal in eine Temperatur umzuwandeln) als einen Grenzwert betrachtet, bei dem es möglich ist, die resultierende Änderung zu messe^ und indem man die Änderung der Temperatur am Kopfende des Rohres berechnet, die einem 6-Photonen-Eingangssignal zum Photomultiplier entspricht, aufgrund der Tatsache, daß drei cps von Dunkelrauschimpulsen (3 Zähler pro Sekunde) erzeugt werden, wenn kein optisches Eingangssignal auf den Photomultiplier auftrifft.

Dann wird die Wellenlängenabhängxgkeit des Temperaturanalysevermögens relativ zum Target bei 1000 ⁰C bei einer Sekunde als Zeitkonstante unter der Prämisse berechnet, daß ein Photonenzählverfahren mit einem Photomultipiier verwendet wird, wobei das Ergebnis in Figur 4 dargestellt ist. Aus Fig. 4 der Zeichnung ergibt sich, daß eine grössere Wellenlänge als 0,3 μΐη erforderlich ist, um das Temperaturanalysevermögen in der oben beschriebenen Weise auf mehr als 1 K zu erhöhen. Insbesondere erweist es sich als wirkungsvoll bei der Messung der Temperatur gemäß der Erfindung, die tatsächliche Abtastwellenlänge in den Bereich zwischen 0,3 um und 0,6 um zu setzen.

Außerdem ist gemäß der Erfindung bevorzugt, einen Kollimator am Bodenende des Rohres mit geschlossenem Ende vorzusehen, um zu verhindern, daß Wärmestrahlung von der Seitenwand des Rohres mit geschlossenem Ende in der oben beschriebenen Weise in die optische Faser eintritt. Außerdem ist es auch von großer Wichtigkeit, ein Druckausgleichsloch am Rohr mit geschlossenem Ende auszubilden, um den Druck zwischen der Innenseite des Rohres mit geschlossenem Ende und der Innenseite des Ofens auszugleichen, damit das Rohr nicht durch die Druckdifferenz beschädigt wird. In diesem Falle ist es bei der Ausbildung eines derartigen Druckausgleichsloches erwünscht, daß es keine wesentliche Konvektion für die Innenseite des Rohres hervorruft, daß es die Innenseite des Rohres nicht verunreinigt und daß sich das Loch nicht innerhalb des Gesichtswinkels der Einfalls-Endfläche der optischen Faser befindet.

Ferner kann die Anzahl von Rohren mit geschlossenem Ende, die sich an der Innenseite des Ofens befinden, in der erforderlichen Weise nach Wunsch variiert werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Rohren von geschlossenem Ende vorgesehen sein, wobei ihre Höhe zur Messung der Temperaturen von Targets variiert, die sich im Innenraum des Ofens in verschiedenen Höhen befinden, so daß die

vertikale Temperaturverteilung im Innenraum des Ofens gemessen werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturmessung ist es wichtig, nur die Wärmestrahlungsleistung vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende aufzufangen und die damit zusammenhängende Temperatur zu bestimmen, da die periphere Wärme, die von der Seitenwand abgestrahlt wird, einen Fehler bei der Messung der auf die optische Faser auftreffenden Wärme hervorruft.

Im Falle eines Rohres mit geschlossenem Ende, das in der untersten Heizzone im Ofen angeordnet ist, wo nur das Kopfende des Rohres von einer Heizeinrichtung beheizt wird, oder in einem Falle mit einer Vielzahl (N) von Rohren mit geschlossenem Ende, wo die Temperaturen an den Kopfenden der Rohre mit geschlossenen Enden der Relation T1 < T2 «i ... ^ TN-1 <· TN genügen und angenommen wird, daß die Höhe der Rohre mit geschlossenem Ende in der angegebenen Reihenfolge ansteigt, ist es möglich - da die Temperatur für die Seitenwand ausreichend niedriger ist als für das Kopfende in jedem Rohr - nur die Wärme aufzufangen, die von jedem der Kopfenden ausgestrahlt wird, indem man die Abtastwellenlänge des Strahlungsthermometers in geeigneter Weise und in einem solchen Ausmaß verkürzt, daß die Wärmestrahlung von der Seitenwand vernachlässigbar ist, und die Temperatur kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Wenn jedoch eine Vielzahl von vertikal getrennten Heizzonen vorhanden sind und die Rohre mit geschlossenem Ende mit der jeweiligen unterschiedlichen Höhe darin entsprechend angeordnet sind, kann - da die oberen Heizzonen auch von den unteren Heizzonen beheizt werden - die Temperatur der Seitenwand eines bestimmten Rohres mit geschlossenem Ende, das sich in einer höheren Position befindet, manchmal höher sein als die Temperatur an seinem Kopfende. Dann wird im Hinblick auf dieses bestimmte

ΙΟΙ Rohr mit geschlossenem Ende die Temperatur der Seitenwand (die höchste für das Rohr mit geschlossenem Ende) anstatt der beabsichtigten Temperatur am Kopfende gemessen. Wenn beispielsweise T1 > T2 ist, mißt ein Detektor, der entsprechend dem Wert T2 angeordnet ist, nicht genau T2, sondern gibt einen dichter bei T1 liegenden Wert an.

Um einen derartigen Fehler zu korrigieren, sollte die Wärme, die von der Seitenwand zur optischen Faser ab-

IQ gestrahlt wird, von der darauf abgestrahlten Gesamtwärme subtrahiert werden. Genauer gesagt, das Ausgangssignal aufgrund der Strahlungswärme von der Seitenwand auf der Temperatur T1 sollte vom Ausgangssignal des Detektors subtrahiert werden, der der Temperatur T2 entspricht. In diesem Falle wird angenommen, daß die Temperatur am Kopfende des kürzesten (niedrigsten) Rohres mit geschlossenem Ende höher ist als die Temperatur an seiner Seitenwand, und die Temperatur T1 kann tatsächlich als exakter Wert gemessen werden.

Wenn dann die Temperatur T2 auf diese Weise erhalten wird, kann die Temperatur T3 erhalten werden, indem man das Ausgangssignal vom nächsten Detektor kompensiert bzw. korrigiert, indem man die Temperaturen T1, T2 verwendet. Dann kann man durch Wiederholung dieser Operationen die Temperatur von T1 am Kopfende des kürzesten Rohres mit geschlossenem Ende bis TN am Kopfende des längstens Rohres mit geschlossenem Ende mit hoher Genauigkeit messen.

Nachstehend erfolgt eine kurze Beschreibung dieses Kompensations- bzw. Korrekturverfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Da bei der Anordnung gemäß Fig. 5 die Temperatur am Kopfende ausreichend höher ist als die Temperatur an der Seitenwand in einem mit geschlossenem Ende versehenen Rohr H1 der kürzesten Länge L1, besteht die Wärmestrahlungsleistung W1, die auf die optische Faser auftrifft, nur aus der Strahlungswärme vom Kopfende, und es gilt die folgende Gleichung:

IL. ( β XT, -χ )

W1 = f1R(T1) (1) ,

wobei f1 ein Konfigurationskoeffizient bei der Ansicht von der Einfalls-Endfläche der optischen Faser zum Kopfende des kürzesten Rohres H1 mit geschlossenem Ende ist, während R(T1) die Wärmestrahlungsleistung von einem Target bei der Temperatur T1 bezeichnet.

Da W1 und F1 in der Gleichung (1) bekannt sind, kann R(T1) berechnet werden.

Dann wird die Temperatur T1 aus dem Wert R(T1) bestimmt, indem man die nachstehende Beziehung verwendet:

¹I

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: 7l1, "K2-. obere und untere Grenzwerte für die Abtastwellenlänge

A : Wellenlänge für die Strahlungswäre C1, C2 : erste und zweite Planck'sehe Konstanten

Obwohl die Beziehung (2) nicht direkt in bezug auf T1 gelöst werden kann, ist es einfach, die Temperatur T1 aus R(T1) zu bestimmen, indem man vorher eine numerische Tabelle für den Zusammenhang zwischen R(T1) und T1 aufstellt.

Auf diese Weise kann die Temperatur T1 am Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H1 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, indem man lediglich die Daten für die Wärmestrahlungsleistung W1 verwendet, die auf die optische Faser auftreffen. Der Konfigurationskoeffizient f1 kann aus der Länge und dem Innendurchmesser des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H1 und dem Kerndurchmesser der optischen Faser berechnet werden.

3 4 Λ 7 7 2 4

-7fr-

Der allgemein mit fi bezeichnete Konfigurationskoeffizient kann bestimmt werden in Abhängigkeit von der Konfiguration am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende, und zwar unter Verwendung der nachstehenden Gleichungen:

(a) flaches Kopfende (vergleiche Figur 6(a) ):

-l r

ti

kkl

f _x . kkl X _d9

ίο · J₀ ·«'·

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: L = Länge des zylindrischen Teils des Rohres mit geschlossenem Ende

2r = Innendurchmesser des Rohres mit geschlossenem Ende

2a = Kerndurchmesser der optischen Faser.

(b) sphärisches Kopfende (vergleiche Figur 6 (b)): .9.0°

( 1- C«⁴9)O-» ( -τ- - Φ -Τ·«- )

* r jA"-^+-Li,

x_

L^f+2Lr Αΐη,φ -fr² ^Π'^{Λ m =}

wobei L, 2r und 2a die gleichen Bedeutungen wie im vorherigen Fall (a) haben. 30

(c) konisches Kopfende (vergleiche Figur 6(c)):

3U7724 *£

χ*+ Lj, X - rt

.1 ( X¹+ ZLlX' rt)ta
mit ^i as Ta*t '

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: X= Länge des konischen Teiles (Höhe) t = Abstand von der Mittellinie bis zum Punkt A h = Höhe vom Boden des Konus bis zum Punkt A L, 2r und 2a haben die gleichen Bedeutungen wie oben.

Als nächstes erfolgt eine Betrachtung des Falles zur Messung der Temperatur T2 am Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H2 mit einer Länge L2 unter Verwendung einer Leistung W2, die vom Rohr mit geschlossenem Ende auf die optische Faser auftrifft. Nehmen wir in die-

2Q sem Falle an, daß der Bereich (L2 - L1) des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H2 die Temperatur T1 besitzt, so trifft die Wärmestrahlungsleistung gemäß der nachstehenden Gleichung auf die optische Faser auf:

W2 = f2R(T2) + g1R(Ti) (3),

wobei f2 und g1 Konfigurationskoeffizienten bei Betrachtung von der Einfalls-Endfläche der optischen Faser zum Kopfende und der Seitenwand im Bereich (L2 - L1) des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H2 sind, die Konstanten sind, die durch die Länge und den Innendurchmesser des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H2 und der« Kerndurchmesser der optischen Faser bestimmt sind. Unter Bezugnahme auf Figur 6(d) ergibt sich folgende Beziehung:

-I. Γ

■«-«üSi»

bt¹-

Da W2, f2 und g1 in der Gleichung (3) bekannt sind und R(T1) gemäß der obigen Beschreibung von dem kürzesten, mit geschlossenem Ende versehenen Rohr H1 erhalten wird, kann R(T2) bestimmt werden, und die Temperatur T2 am Kopfende kann in gleicher Weise wie bei der Gleichung (2) bestimmt werden.

Betrachtet man nun den Fall der Messung der Temperatur T3 am Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H3 mit einer Länge L3 unter Verwendung einer Leistung W3, die von dem mit geschlossenem Ende versehenen Rohr H3 auf die optische Faser auftrifft, wobei die Temperatur im Bereich (L3 - L2) mit T2 und die Temperatur im Bereich (L2 - L1) mit T1 angenommen werden, so trifft auf die optische Faser eine Leistung auf, die sich durch die nachstehende Gleichung (4) darstellen läßt:

W3 = f3R(T3) + g2R(T2) + giR(T1) (4),

wobei f2 und g2 Konfigurationskoeffizienten bei Betrachtung von der Einfalls-Endfläche der optischen Faser zum Kopfende und dem Bereich (L3 - L2) des dritten, mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H3 sind, die Konstanten sind, welche durch die Länge und den Innendurchmesser des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres H3 und dem Kerndurchmesser der optischen Faser bestimmt sind.

Da W3, f3, g2 und g1 in der Gleichung (4) bekannt sind und sich R(T1) und R(T2) aus den mit geschlossenem Ende versehenen Rohren H1 und H2 bestimmen lassen, kann R(T3) erhalten werden, und die Temperatur T3 kann in gleicher

-ik-

wie oben beschrieben bestimmt werden. Wenn auf diese Weise die Strahlungstemperatur unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung von der Seitenwand gemessen wird, können die Temperaturen T1, T2 und T3 für die oberen, mittleren und unteren Zonen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Die vorstehenden Gleichungen (1), (3) und (4) können in der folgenden Matrix geschrieben werden:

W,

W₄

9χ 9t ti

H(T_t)
R(T₃)

Obwohl die Erläuterungen für den Fall von drei Heizzonen gegeben worden sind, kann dieses Verfahren in gleicher Weise auf vier oder mehr Heizzonen angewendet werden oder für einen Fall, wo die Temperaturmessung in genauerer Weise durchgeführt werden muß, indem man die Anzahl von Rohren mit geschlossenem Ende erhöht und eine Vielzahl (n) von Rohren mit geschlossenem Ende unterschiedlicher Länge verwendet, um die Messung an der Vielzahl von Positionen durchzuführen. In diesem Fall kann die obige Gleichung (5) in folgender Weise verallgemeinert werden:

W₁ Wj W, W₄

9 χ 9t

ΫΒ.-1 '· ^Λ

R(T₁) R(T,) R(T₄) R(T₄)

R(Tn)

Das bedeutet, man kann die nachstehende Gleichung

T _β -JL ν J - j" V (7)

erhalten und, wie oben dargelegt, die Temperaturen in den jeweiligen Positionen (n) können entsprechend dieser Gleichung gemessen werden.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Kompensation bzw. Korrektur wird angenommen, daß die Temperaturen an den Seitenwänden der mit geschlossenem Ende versehenen Rohre eine schrittweise oder stufenweise Verteilung haben, so daß die Temperatur für den Bereich (L2 - L1) den Wert T1 und die Temperatur für den Bereich (L3 - L2) den Wert T2 usw. hat, wie es Figur 7(a) zeigt. Da diese Annahme jedoch nicht immer mit der tatsächlichen Situation übereinstimmt, wird eine andere Annahme für die Kompensation bzw. Korrektur genommen, die dem tatsächlichen Zustand näher liegt. Bei dieser Annahme wird berücksichtigt, daß die Temperatur am Sextenwandbereich (L2 - L1) linear von T1 bis T2 zunimmt, wie es Figur 7(b) zeigt.

Ausgehend von dieser Annahme wird eine Funktion G1(T1,T2) unter Berücksichtigung des Temperaturgefälles zwischen (L2 - L1) anstelle von giR(Ti) in der obigen Gleichung (3) für den Wert der Wärmestrahlung eingeführt, die von dem Bereich (L2 - L1) auf die optische Faser auftrifft, und zwar gemäß nachstehender Beziehung:

³⁰

^1Cr*

mit Τ"» (r^<m θ -I₁ ) + I,

In — L₁

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

2r = Innendurchmesser des Rohres mit geschlossenem Ende 2a = Kerndurchmesser der optischen Faser ^- = Wellenlänge der Wärmestrahlung 711 , \2 = obere und untere Grenzwerte der Abtastwellenlänge

θ = Winkel bei Betrachtung nach oben vom Mittelpunkt

des Einfallswinkels der optischen Faser zur Seitenwand (Gesichtswinkel)
C1, C2 = erste und zweite Strahlungskonstanten.

Das bedeutet, daß die Gleichung (3) umgeschrieben werden kann als:

W2 = f2R(T2) +G1(T1,T2) (3) · .

In gleicher Weise kann die Gleichung (4) umgeschrieben werden als:

W3 = f3R(T3) + G2(T1,T2) + G2(T2_/T3) (4) ·.

Dann kann im Hinblick auf das n-te Rohr mit geschlossenem Ende die entsprechende Gleichung allgemein umgeschrieben werden als:

^J-t ,

Wa -te R(Ta)+ S OA ( Τ_Λ" , Τ_Λ+» ) (β).

-η-μ

Da der Wert von "2 &χ ( ^; Tj+ I ),te Wa

bekannt ist, kann R(Tn) bestimmt werden, und dementsprechend kann die Temperatur Tn am Kopfende des η-ten Rohres mit geschlossenem Ende aus der Gleichung (2) bestimmt werden.

Jedes der oben beschriebenen !Compensations- oder Korrekturverfahren kann mit einem Computer für die Ausgleichsrechnung durchgeführt werden, wobei die kompensierte oder korrigierte Temperatur am Kopfende für jedes der Rohre mit geschlossenem Ende auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird, und die Temperaturverteilung innerhalb des Ofens der isostatischen Warmpreßvorrichtung kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Wenn in dem System der übertragung von Strahlungstemperaturinformation auf ein Target mittels einer optischen Faser eine Verunreinigung auf der Einfalls-Endfläche der dem Target gegenüberliegenden optischen Faser auftritt, wird dies die Lichtmenge verringern, die auf die optische Faser auftrifft, und somit ein Rauschen bei der Behandlung der Temperaturinformation hervorrufen. Wenn beispielsweise bei der Messung der Strahlungstemperatur unter Verwendung der optischen Faser die Einfalls-Endfläche der Faser verunreinigt wird, was zu einer Abnahme der Lichtmenge führt, so wird die schließlich angegebene Temperatur niedriger sein als ihr tatsächlicher Wert. Der Meßfehler bei der Temperatur kann verringert werden durch die Verwendung eines Zweifarbenthermometers in einem Fall, wo die Transmissionseigenschaften der Verunreinigung weniger wellenlängenabhängig sind. Wenn jedoch die Wellenlängenabhängigkeit groß ist, wird ein unvermeidlicher Fehler bei der Messung für die Temperatur eingeführt. Unter Berücksichtigung der obigen Darlegungen war es bisher erforderlich, die Einfalls-Endfläche der optischen Faser zu reinigen, und zwar durch Abwischen oder durch Hindurchleiten eines Reinigungsgases.

In der JP-OS 7530/1983 ist ein Verfahren zum Kompensieren oder Korrigieren der optischen Verunreinigung unter Verwendung von Referenzlicht angegeben. Bei diesem System wird ein Infrarotstrahl auf einen Phosphorkörper ausgestrahlt, der als Standardtemperatur-Strahlungskörper verwendet wird, und die optischen Übertragungsverluste

werden aufgrund der Intensität des Reflexionslichtes kompensiert. Da jedoch im Falle der Messung der Strahlungstemperatur die Intensität von Infrarotstrahlen, die von dem Target ausgestrahlt werden, groß ist, ist es unmöglieh, Infrarotlicht als Referenzlicht zu verwenden. Da außerdem der Abstand zwischen der Einfalls-Endfläche der optischen Paser und dem Target extrem groß ist im Vergleich mit dem Fall der Phosphorstrahlungskörper-Verfahren, ist die Abtastung des Reflexionslichtes selbst schwierig.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Einfalls-Endfläche der messenden optischen Faser, die dem Target gegenüberliegt, mit Referenzlicht von einer zusätzlichen optischen Faser beaufschlagt. Das Referenzlicht, das zusammen mit der Strahlungsenergie von dem Target aufgefangen wird, wird durch die messende optische Faser geschickt und dann von dem Strahlungsiicht von dem Target getrennt, um die Lichtdurchlässigkeit bzw. den Transmissionsfaktor der optischen Faser zur Führung der Strahlungsenergie auf der Basis der Intensität des durchgelassenen Referenzlichtes zu bestimmen. Dann wird die optische Information hinsichtlich der Strahlungsenergie von dem Target aufgrund der Lichtdurchlässigkeit bzw. dem Transmissionsfaktor kompensiert bzw. korrigiert, um auf diese Weise den Meßfehler in der Temperatur zu beseitigen, der durch die Verunreinigung auf der Einfalls-Endfläche der optischen Faser hervorgerufen wird.

gO Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung kann der Verunreinigungsfehler ausgeglichen werden, und zwar nicht durch eine körperliche Reinigung, wie zum Beispiel durch Abwischen, oder durch Gas, welches die verunreinigte Einfalls-Endfläche der optischen Faser reinigt, sondern durch die Verwendung von Referenzlicht und einer anschließenden mathematischen Ausgleichsoperation. Dementsprechend kann die Wartung der isostatischen Warmpreßvorrichtung stark vereinfacht und erleichtert sowie eine

genaue Temperaturmessung für eine lange Zeitdauer ohne Alterungsänderungen ermöglicht werden.

Bei einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird das Referenzlicht von der Lichtquelle direkt in die messende optische Faser eingeleitet und zur Kompensation bzw. Korrektur verwendet/ wobei es längs des Weges hindurchgelassen und an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser zu Meßzwecken reflektiert wird. Bei die- IQ sem abgewandelten Verfahren ist keine zusätzliche optische Faser erforderlich, um das Referenzlicht einzuführen, was einen großen Beitrag zur Vereinfachung des Systemaufbaues leistet.

, c Nachstehend werden spezielle Ausführungsformen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung näher erläutert.

2Q (1) Grundausführungsform unter Verwendung eines einzigen Rohres mit abgeschlossenem Ende

Eine Grundausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend im ein-₂g zelnen unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung näher erläutert. Figur 8A zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Temperaturmessung gemäß der Erfindung, in welcher eine isostatische Warmpreßvorrichtung einen Hochdruckzylinder 1 mit einer eingebauten Wärmeisolierschicht 2, eine nicht dargestellte Heizeinrichtung sowie untere und obere Bodenabdeckungen 3A, 3B aufweist, auf denen ein Probenbett 4 angeordnet ist. An der Innenseite des Ofens, die von der Wärmeisolierschicht 2 gebildet wird, ist ein einzelnes Rohr 5 mit geschlossenem Ende so angeordnet, daß sich sein Kopfende in einem zu messenden Bereich befindet. Die vom Kopfende des Rohres 5 mit geschlossenem Ende abgestrahlte Wärme wird nach außen geleitet, und zwar durch eine

optische Faser 6, die sich an der unteren öffnung des Rohres 5 mit geschlossenem Ende am Boden des Ofens befindet, und die optische Faser 6 ist mit einem Meßsystem verbunden, das ein Strahlungsthermometer 7 aufweist. 5

Das zur Außenseite des Ofens geführte Strahlungslicht wird in eine Temperatur umgewandelt, und zwar mit einer herkömmlichen Helligkeits-Temperatur-Wandlung oder mit einer Zweifarben-Temperaturoperation. In der Zeichnung sind weiterhin ein Halter 8 für die optische Faser 6, Faserverbindungen 9, eine obere Abdeckung 10 sowie ein Druckausgleichsloch 11 dargestellt/ die nachstehend näher erläutert sind.

Obwohl die optische Faser 6 durch die untere Bodenabdekkung 3B gemäß der Zeichnung zur Außenseite des Ofens geleitet ist, kann sie auch herausgeführt werden, indem sie durch die Wärmeisolierschicht 2 und den Hochdruckzylinder 1 sowie die obere Abdeckung 10 hindurchgeführt ist, wie es strichpunktiert in Figur 8A angedeutet ist. In dem Falle, wo die Wärmeisolierschicht 2 oder dergleichen an der oberen Abdeckung 10 aufgehängt ist, kann das Rohr 5 mit geschlossenem Ende von oben nach unten in den Innenraum des Ofens eingesetzt werden, wie es Figur 8B zeigt.

Die optische Faser kann bei der vorliegenden Ausführungsform mit Metall beschichtet, überzogen oder abgedeckt sein. Die Metallabdeckung wird entweder durch eine Metallbeschichtung oder als Metallmantel aufgebracht. Die verwendbaren Metalle für die Metallbeschichtung können beispielsweise

QQ die Substanzen Al, Cu, Co, Ni, Mo, W, Pd, Pt umfassen, die eine geeignete Legierung bilden können, welche chemisch stabil mit Si ist, das eine Grundsubstanz für die SiO₂ ^-optischen Fasern bildet. Unter ihnen ist Aluminium das üblichste Metall. Die als Metallhülse als Metallmantel

gg verwendbaren Metalle können fast alle Arten von Metallen umfassen, wie zum Beispiel Fe, Ti, Cu, Zn, Pb, Sn, Al, Cr, Co, Ni, Mo, W, Pd und Pt. Als Material für stabförmige optische Elemente können Quarz, Saphir oder ähnliche

Materialien mit ähnlichen Wärmestrahlungsleistungs-Ubertragungseigenschaften angegeben werden. Die stabförmigen optischen Elemente können auch mit einer Metallumkleidung versehen sein.

Beim Herausführen der optischen Faser aus dem Ofen durch seine entsprechende Baueinheit ist eine dichte Abdichtung zwischen dem Ofenbauteil und der optischen Faser unerläßlich. Die Figuren 9a, 9b und 9c zeigen entsprechende Aus-

IQ führungsformen von derartigen Abdichtungen, in denen eine optische Faser 6 durch die Wand des HochdruckZylinders 1 herausgeführt wird (vergleiche Figur 9a), und eine Metallplatte 13 ist daran mit einer Lötung oder Schweißung 14 bzw. 15 befestigt. In diesem Falle kann die Abdichtung, zum Beispiel die Lötung, am herausgeführten Teil der optischen Faser 6 leicht angebracht werden, da die optische Faser 6 mit einer sie umgebenden Metallbeschichtung 16 versehen ist. Die Metallplatte 13 kann auch an dem Ofenkörper (Zylinder) mit anderen Mitteln befestigt sein, zum

2Q Beispiel mit Schrauben 17 und Muttern 18 (vergleiche Figur 9b). Figur 9c zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Dichtung zum Herausführen der optischen Faser durch die untere Bodenabdeckung 3B, wobei Figur 9c eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Anordnung in Figur 8A zeigt. Bei dieser Ausführungsform kann die Abdichtung weiter verbessert werden, indem man einen Metallträger 19 und einen O-Ring 20 verwendet. Die endgültige Abdichtung für die optische Faser 16 erfolgt durch die Lötung 15 zwischen dem Metallträger 19 und der Metallbeschichtung

QQ der Faser 6.

Außerdem zeigen die Figuren 10a, 10b und 10c andere Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Temperaturmessung gemäß der Erfindung, wobei gg ein Rohr 5 mit geschlossenem Ende zur Messung der Strahlungstemperatur aus wärmebeständigem Material an der Innenseite des Probenbettes 4 angebracht ist, das aus wärmeisolierendem Material für die Leistungssteuerung der

untersten Heizeinrichtung 12 besteht.

Die Figuren 11a, 11b, 11c und 11d zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Kollimators 21, der an dem Rohr angebracht ist, so daß nur die Wärme, die von dem zu messenden Teil abgestrahlt wird, zuverlässig aufgenommen werden kann; dabei zeigt Figur 11a eine Ausführungsform mit zwei Scheiben 22, jeweils mit einem daran angebrachten Stiftloch, um einen Hohlraumeffekt durch die beiden Scheiben

IQ 22 zu bilden. Figur 11b zeigt eine andere Ausführungsform, in der Perforationen in Form von kleinen Öffnungen 23 im Zentrum eines Hohlzylinders 24 vorgesehen sind, mit denen der Hohlraumeffekt besser realisiert werden kann als bei der vorher angegebenen Ausführungsform gemäß Fig. 11a, indem man die Strahlungsrate an der Innenseite des Hohlzylinders 24 vergrößert. Figur 11c zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der jeweils die obere Fläche und die innere Bodenfläche eines Zylinderteiles 25 mit konischer Form ausgebildet sind, mit denen der Staub, der sich zum

2Q Beispiel von der Rohrwand löst, auf dem oberen oder inneren Bereich des Kollimators 21 gehalten wird, um eine Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser 6 zu verhindern. Figur 11d zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der ein Kollimator 21 eine Linse 26 auf-

OC weist, um in wirksamer Weise nur die abgestrahlte Wärme vom Kopfende des Rohres 5 mit geschlossenem Ende aufzufangen .

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist auch wichtig, gQ ein Druckausgleichsloch am mit geschlossenem Ende versehenen Rohr 5 vorzusehen, um den Druck zwischen der Innenseite des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 und der Innenseite des Ofens auszugleichen, damit das mit geschlossenem Ende versehene Rohr 5 nicht durch die Druckdifferenz

_oc zwischen der Innenseite und der Außenseite der Rohrwand ob

zerstört wird.

Die Figuren 12a und 12b zeigen jeweils typische Anordnungen

für das Druckausgleichsloch, wobei das Druckausgleichsloch 27 in einer Position ausgebildet ist, die so dicht wie möglich am Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 innerhalb eines Bereiches angeordnet ist, der nicht im Gesichtswinkel bei Betrachtung von der Endfläche der optischen Faser 6 liegt. Wenn das Loch 27 im Bereich des Gesichtswinkels enthalten ist, dringt Strahlung von der Heizeinrichtung oder der Wärmeisolierschicht der isostatischen Warmpreßvorrichtung in das Strahlungslicht vom Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 ein und bewirkt einen Fehler bei der Temperaturmessung.

Da sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12a die Änderung der Dichte des gasförmigen Mediums im Innenraum des Rohres mit geschlossenem Ende auf das Kopfende konzentriert, um die Schwankung des optischen Weges in der Nähe einer Linse 28 zu verringern, kann die Temperatur am Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

In einem Falle, wo die Fläche des Druckausgleichsloches 27 vernachlässigbar klein ist, im Vergleich mit der für das Ausmaß des Gesichtswinkels am Kopfende des Rohres 5 mit geschlossenem Ende, kann das Loch 27 am Kopfende des

2g Rohres 5 mit geschlossenem Ende mit zufriedenstellendem Effekt ausgebildet werden. Außerdem kann ein Filter in wünschenswerter Weise am Druckausgleichsloch 27 angeordnet sein, so daß in dem gasförmigen Medium enthaltener Staub im Inneren des Ofens nicht in das Innere des Rohres

gQ 5 mit geschlossenem Ende eindringt und die darunter befindliche Linse 28 verunreinigt. Wenn der Filter aus einem solchen porösen Material besteht, der das Eindringen von Licht außerhalb des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres in das Rohr verhindert, kann das Loch 27

gg in einer Position ausgebildet sein, die in dem Bereich des Gesichtswinkels liegt.

Figur 12b zeigt eine andere Ausführungsform, bei der das

Druckausgleichsloch 27 in der Nähe des Bodens des Rohres 5 mit geschlossenem Ende ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Verunreinigung der Linse 28 reduziert werden, da das gasförmige Medium für den Ofen bei relativ niedriger Temperatur und ein geringerer Staubgehalt in das Innere des Rohres 5 mit geschlossenem Ende eindringen. In diesem Falle ist auch das Vorsehen eines Filters wünschenswert, um die Verunreinigung zu verhindern, die sich durch Staub bei der Linse 27 ergibt.

In einem Falle, wo das Rohr 5 mit geschlossenem Ende aus porösem Material besteht, wie zum Beispiel aus Graphit oder Bornitrid, kann das Vorsehen eines Druckausgleichsloches entfallen, da das Rohr selbst bis zu einem gewis-

X5 sen Grade eine Gasdurchlässigkeit besitzt. Außerdem kann sich das Druckausgleichsloch 27 durch den Halter 8 für die optische Faser öffnen, wie es Figur 13 zeigt.

Die Figuren 14a, 14b, 14c und 14d zeigen Einzelheiten für die jeweiligen Ausführungsformen des Halters 8 für optische Fasern, um die optische Faser 6 in der Öffnung zu halten, das heißt im Bodenende des Rohres 5 mit geschlossenem Ende. Die optische Faser 6 wird in einen zylindrischen Faserhalter eingesetzt und dort befestigt, indem man Klebstoff oder dergleichen durch ein Gießloch 29 hineingießt, wie es die Figuren 15a und 15b zeigen. Die opti sche Faser 6 kann selbstverständlich auch durch Schrauben oder andere Mittel befestigt werden. Der Faserhalter 8 ist am Bodenende des Rohres 5 mit geschlossenem Ende mit Schrauben oder Klebstoff befestigt.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 14a steht das Kopfende der optischen Faser 6 aus dem Halter 8 vor und ist in der oben beschriebenen Anordnung befestigt, mit der 3g verhindert werden kann, daß Staub, der sich abgelöst hat und in das Rohr mit geschlossenem Ende gefallen ist, sich auf der kopfseitigen Einfalls-Endfläche der optischen Faser 6 absetzt.

HA

In Figur 14b ist das Kopfende der optischen Faser 6 in das Innere des Halters 8 eingebettet, und zwar in entgegengesetzter Weise wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform/ wobei der Gesichtswinkel der optischen Faser 6, der üblicherweise 24° für Quarzfasern beträgt, beschränkt ist und nur das Licht von dem Kopfende des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 in die optische Faser 6 eintritt. Das Strahlungslicht von der Seitenwand des mit geschlossenem Ende versehenen Rohres 5 mit der oben erläuterten Temperaturverteilung tritt infolgedessen nicht in die optische Faser 6 ein, so daß die Meßgenauigkeit für die Temperatur verbessert wird. Figur 14c zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der oben beschriebene Kollimator 21 am Kopfende des Halters 8 angebracht ist und der Kollimator 21 die Form einer Zylinderkappe mit einem kleinen Loch im Zentrum besitzt. Die Ausführungsform gemäß Figur 14c mit dieser Bauart hat die kombinierten Vorteile der oben beschriebenen Ausführungsformen gemäß Figuren 14a und 14b.

Figur 14d zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung, bei der eine Linse 30 als Kollimator am Kopfende des Halters 8 angeordnet ist, um eine große Lichtmenge zu sammeln. Der Vorsprung 8a zur Halterung der Linse 30 kann in den Hauptkörper des darunter befindlichen Halters 8 integriert sein. Auf diese Weise wird die optische Faser 6 zur Außenseite des Ofens herausgeführt, wobei sie durch den Kollimator 30 und den Halter 8 oder dergleichen hindurchgeht und mit einem Strahlungsthermometer V verbunden ist, wie es Figur 15 zeigt.

Die Figuren 17a, 17b und 17c zeigen Blockschaltbilder für den Bereich zur Umwandlung des Strahlungslichtes in Temperatur mit einem Strahlungsthermometer und anschließender Anzeige der Daten. Bei dieser Ausführungsform wird ein Chopper verwendet, um optoelektronische Umwandlungsausgangssignale als Wechselspannungssignale zu erhalten, die leicht verstärkt werden können und die von dort

zusammen mit Referenzsignalen einem Lock-in-Verstärker zugeführt werden, wobei die jeweiligen im Blockschaltbild dargestellten Baugruppen vorgesehen sind, mit denen die Signale in einer vorgegebenen elektronischen und elektrisehen Verarbeitungsschaltung verarbeitet und dann als Temperatur zur Anzeige gebracht werden.

Figur 18 zeigt das Prinzip des Strahlungstemperaturmeßverfahrens, das beim vorliegenden System verwendet wird. Die auf die Linse auftreffende Energie E1 läßt sich ausdrücken als

OQ

s*

r Ca -/ mit Txr. _ C, ' _o Τ? , \ '

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

W(A) = Divergenz der spektralen Emission in W.m λ = Wellenlänge in m

T = Temperatur in K

C1 = 3,74 χ 10"¹⁶ W.m²
C2 = 1,44 χ 10~² m.K

Das photoelektronisch umgewandelte Ausgangssignal E2 läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

_x - k f**Wa,/2a

«~ - ι- ι Ui' -- IJ*. I- /o ) UfAI v\ η ··· (13),

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: R(λ) = spektraler Transmissionsfaktor der Linse F(λ) = spektraler Transmissionsfaktor der optischen

Faser
iM j 2 = Lichtdurchlässigkeitswellenlängen der optischen

Fasern

— VT—

= Empfindlichkeit des photoelektronischen Umwandlungselementes.

Außerdem läßt sich das Ausgangssignal E3 vom Hauptverstärker folgendermaßen ausdrücken:

- On &_Λ k j Wm Ra> fc» Pe» et] · · · ⁽¹⁴⁾'

η>

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: G1 = Verstärkung des Vorverstärkers

G2 = Verstärkung des Hauptverstärkers; die übrigen Bezeichnungen sind die gleichen wie vorher.

In der Gleichung (14) ist die Temperatur T beim Target in W(TV.) enthalten, das heißt, in der Form der Gleichung (12). Dementsprechend existiert ein 1:1-Verhältnis zwischen T und E3, wobei T auch aus E3 bestimmt werden kann, beispielsweise indem man vorher eine Berechnungstabelle für E3 auf der Basis der jeweiligen Temperatur T vorbereitet. Das bedeutet, die Ausgangsspannung E3 vom Hauptverstärker kann in die Temperatur T für das zu messende Target transformiert werden.

Bei diesem Meßsystem ist ein Vorverstärker in der Nähe der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung vorgesehen und dient zur Verringerung der Impedanz der Umwandlungseinrichtung, um das Eindringen von äußerem Rauschen zu vermeiden und die schwache Ausgangsspannung von der Umwandlungseinrichtung mit niedrigem Rauschpegel zu verstärken.

Währencibei der vorhergehenden Beschreibung eine einzige optische Faser verwendet worden ist, kann auch ein Bündel von optischen Fasern oder ein stabförmiges optisches Element in der beschriebenen Weise verwendet werden. Außerdem kann das Rohr mit geschlossenem Ende mit der darin eingesetzten optischen Faser auch durch eine Vielzahl von ihnen ersetzt werden, so daß beispielsweise die vertikale Temperaturverteilung in den jeweiligen Bereichen des Ofens gemessen werden kann.

■ 1 Da in dem Ofen der isostatischen Wärmepreßvorrichtung ohm'sche Heizelemente in zylindrischer Weise vertikal als Heizquelle für die Innenseite des Ofens angeordnet sind und aufgrund der Wärme von den Heizelementen eine Konvektion des unter Druck stehenden gasförmigen Mediums hoher Dichte resultiert, kann die Verteilung des optischen Ablenkungsverhältnisses aufgrund der Konvektion schwanken, so daß möglicherweise eine andere Wärmestrahlung als die von dem Target in die optische Faser eintreten kann, wenn die Temperatur gemessen wird, indem man nur den Vorsprung verwendet, der von der Heizeinrichtung oder dergleichen als Target vorsteht. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturmessung jedoch ein Rohr mit geschlossenem Ende verwendet wird und die optische Faser darin eingeschlossen ist, kann die Temperatur in dem Rohr mit geschlossenem Ende gemessen werden, und zwar frei von einer wesentlichen Einwirkung der Konvektion und ohne Wirkung der Änderung bei der optischen Ablenkung, so daß die Meßgenauigkeit verbessert werden kann. Da weiterhin die Einfalls-Endfläche der optischen Faser innerhalb des Rohres mit geschlossenem Ende eingeschlossen bzw. enthalten ist, kann die Verunreinigung, die sich auf der Endfläche der optischen Faser durch Staub oder dergleichen ergibt, der von der Heizeinrichtung oder der Probe emit-

2Q tiert wird, verringert werden, so daß die Alterungsänderung bei der Meßgenauigkeit reduziert wird. Da außerdem kein Erfordernis für ein herkömmliches optisches Fenster besteht, kann eine verbesserte Sicherheit im Aufbau des Ofens erzielt werden.

Indem man weiterhin die Abtastwellenlänge auf die kurzwelligere Seite verlagert, kann die Temperaturgenauigkeit in der oben beschriebenen Weise verbessert werden, und durch Veränderung der Abtastwellenlänge kann der Bereich

O₅ für die Temperaturmessung verbreitert werden. Außerdem kann die Erfindung Anwendung finden bei einem mit Druck arbeitenden Sinterofen, der die gleiche oder entsprechende Funktion besitzt wie eine isostatische Warm-preßvorrichtung.

(2) Modifizierte Ausführungsform unter Verwendung einer Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende

Das Verfahren zur Messung der Temperaturverteilung gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand spezieller Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Figuren 19 bis 26 näher erläutert. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 19 ist eine Vielzahl von mit geschlossenen Enden versehenen Rohren 32 vorgesehen, die durch die Ofenwand 31 eines Hochdruckbehälters hindurchgehen. Detektoren 33, die jeweils photoelektronische Umwandlungseinrichtungen enthalten, sind an der Öffnung der jeweiligen Rohre mit geschlossenen Enden angeordnet, und die Wärmestrahlung von den Kopfenden der Rohre 32 mit geschlossenen Enden wird in elektrische Signale umgewandelt, die in Verstärkern 34 verstärkt und dann in einen Computer 35 gegeben werden, wo die oben beschriebene mathematische Verarbeitung, das heißt die Berechnung für die Gleichung (3) vorgenommen wird, die Umwandlung von R(T) in T erfolgt und die Temperatüren am Kopfende der Rohre 32 mit geschlossenen Enden jeweils in Anzeigeeinrichtungen 40 angezeigt werden.

In der oben beschriebenen Weise ist es jedoch tatsächlich unmöglich in einem Falle, wo der Druck im Innenraum des Ofens einen hohen Wert von etwa 2000 bar (Atm) besitzt und die Temperatur ungefähr 2000 ⁰C beträgt, die Rohre mit geschlossenen Enden durch die Ofenwand 31 zur Außenseite des Ofens zu führen, und zwar im Hinblick auf die Drucksicherheit der Dichtungen.

In Anbetracht dessen sind, wie in Figur 20 dargestellt, die Rohre 32 mit geschlossenen Enden vollständig im Gehäuse untergebracht und bei einem Hochdruckofen an der Innenseite einer Wärmeisolierschicht 37 im Inneren der Ofenwand 31 eines Hochdruckbehälters befestigt, wobei die Wärmestrahlung vom Kopfende der Rohre 32 mit geschlossenem Ende mit optischen Fasern 36, die in den Öffnungen für die Rohre 32 mit geschlossenem Ende angeordnet sind,

durch die Behälterabdeckung (untere Abdeckung 38 bei der dargestellten Ausführungsform) zur Außenseite des Ofens herausgeführt und dann mit einem Meßsystem gemessen wird, das Detektoren 39 und einen Rechner 41aaufweist.

In diesem Falle wird die Strahlungswärme, die zur Außenseite des Ofens herausgeführt wird, üblicherweise mit einem Strahlungsthermometer gemessen, das eine photoelektronische Umwandlungseinrichtung aufweist, die aus Si-Photpdioden oder dergleichen zusammengesetzt ist, und dann mit einer herkömmlichen Helligkeits-Temperatur-Wandlung und Zweifarben-Temperaturoperation in eine Temperatur umgewandelt wird. Eine Abtastwellenlänge für das Strahlungsthermometer zwischen 0,3 μπι und 0,6 μπι erweist sich im Hinblick auf die Messung als sinnvoll und wirkungsvoll.

Figur 21 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten des Rechners 41ausw. für die mathematische Operation zur Bestimmung der Temperaturverteilung in jedem der Systeme; dabei ist ersichtlich, daß die Wärmestrahlung von den jeweiligen Rohren 32 mit geschlossenem Ende abgetastet bzw. gemessen wird und dann eine Berechnung mit einem digitalen Zählverfahren unter Verwendung einer vorgegebenen elektrischen oder elektronischen Verarbeitungsschaltung durchgeführt wird, die in konventioneller Weise ausgelegt ist, wobei anschließend die Anzeige der Temperaturen erfolgt.

Die Figuren 22a und 22b zeigen eine spezielle Ausführungsform einer Heizeinrichtung eines Dreizonen-Heizsystems für eine isostatische Warmpreßvorrichtung. In diesem Falle muß die Temperatur für jede der drei Zonen gemessen werden, um die elektrische Leistung zu steuern, die den Heizeinrichtungen 41, 42 und 43 für die obere, mittlere bzw. untere Zone zugeführt wird. Unter Berücksichtigung der obigen Darlegungen sind drei Rohre 44, 45 und 46 mit geschlossenen Enden vertikal derart angeordnet, daß ihre

Kopfenden sich bei den jeweiligen Temperaturmeßpunkten für die obere, mittlere und untere Heizeinrichtung 41, bzw. 43 in Figur 22a befinden. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß Figur 22b wird ein wärmebeständiges Material 47 anstelle der drei Rohre mit geschlossenem Ende verwendet, wobei drei Hohlbereiche 48, 49 und 50 mit einer Länge eingebaut sind, die den jeweiligen Temperaturmeßpunkten für die obere, mittlere und untere Zone entsprechen. Die zuletzt genannte Konstruktion ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die mechanische Festigkeit und die leichte Montage und Handhabung. Der Einsatzbereich, der üblicherweise für Thermoelemente bei bestehenden isostatischen Warmpreßvorrichtungen verwendet wird, kann ebenfalls in wünschenswerter Weise eingesetzt werden.

Die Figuren 23a, 23b und 23c zeigen eine Ausführungsform zur Herstellung der Rohranordnung mit geschlossenen Enden, wie es Figur 22b zeigt. Dabei ist Figur 23a eine vordere Seitenansicht, Figur 23b eine obere Draufsicht und Figur 23c eine Seitenansicht. Ein Tragteil 51 ist in eine Vielzahl von Teilen 51a, 51b, 51c und 51d unterteilt, die integral aneinander angepaßt sind, wie es Figur 23c zeigt, um eine integrale Anordnung von Rohren mit geschlossenem Ende zu bilden.

Gemäß der Erfindung sind die Rohre mit geschlossenen Enden entsprechend den jeweiligen Ausführungsformen angeordnet, und Detektoren sind direkt oder über optische Fasern an die Öffnungen der Rohre mit geschlossenen Enden angeschlossen, um das Verfahren zur Temperaturmessung gemäß der Erfindung durchzuführen, wie es schematisch in dem Flußdiagramm in Figur 24 dargestellt ist. Die Temperatur T am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende wird durch die Eingabe der Wärmestrahlungsleistung, die Berechnung und die Bezugnahme auf die Rechentabelle angezeigt. Dann geht der Schritt zurück zum Start des Flußdiagrammes für die kontinuierliche Messung, um in sicherer und

zuverlässiger Weise die Temperatursteuerung bei der isostatischen Warmpreßbehandlung vorzunehmen. Simulierte Experimente gemäß der Erfindung werden nachstehend mit numerischen Werten angegeben. Es wurde ein Experiment unter Verwendung von optischen Fasern durchgeführt, die jeweils einen Kerndurchmesser von 400 um haben und jeweils in einem der Rohre mit geschlossenem Ende mit 1 m Länge und 1 mm Innendurchmesser angeordnet sind, wobei die Temperatur von 2000 ⁰C am Kopfende allmählich und linear auf eine Temperatur von 500 ⁰C an der unteren Öffnung des Rohres mit geschlossenem Ende geändert wird. Als Ergebnis erhielt man folgende Meßfehler für die Temperatur: ungefähr 200 ⁰C bei der Abtastwellenlänge von 0,9 \im und ungefähr 20 ⁰C bei der Abtastwellenlänge von 0,4 μΐη.

Diese Werte ergaben sich relativ zu der Temperatur von 2000 ⁰C am Kopfende mit einem einfachen Temperaturwandlungsverfahren auf der Basis der gesamten Wärmestrahlungsleistung (Energie) vom Kopfende und der Seitenwand der Rohre mit geschlossenem Ende, die auf die optischen Fasern auftraf. Es stellte sich jedoch heraus, daß diese Fehler eliminiert werden konnten und daß die Wirkung der Seitenwandtemperatur ausgeräumt werden konnte, indem man das oben beschriebene Kompensationsverfahren gemäß der Erfindung verwendete.

Weiterhin wurde die Änderung der auf die optische Faser auftreffenden Wärmestrahlungsleistung untersucht, wobei die Temperatur am unteren Ende des Rohres mit geschlossenem Ende auf 300 ⁰C gesetzt und die Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende innerhalb eines Bereiches zwischen 1000 ⁰C und 2500 ⁰C variiert wurde (vergleiche die ausgezogene Linie in Figur 25). In diesem Falle wurde angenommen, daß der mittlere Bereich des Rohres mit geschlossenem Ende ein Temperaturgefälle besaß, wie es mit der gestrichelten Linie in Figur 25 angedeutet ist, welche die Temperatur am Kopfende und die Temperatur am unteren Ende des Rohres mit geschlossenem Ende linear verbindet.

Das Ergebnis ist mit der gestrichelten Linie in Figur 26 eingetragen. Dann wird für den Fall einer tatsächlichen Eichung des gesamten Temperaturmeßsystems ein solcher Fall berücksichtigt, wo das Kopfende auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die um 200 ⁰C höher liegt als die Temperatur im mittleren Bereich des Rohres mit geschlossenem Ende, wobei angenommen wird, daß eine reale Eichkurve erhalten wird, die der gestrichelten Linie in Figur 26 entspricht. Wenn die Temperatur am Kopfende bei 1500 ⁰C liegt, nimmt die dargestellte Strahlungsleistung um den Wert P¹ in der grafischen Darstellung bei der Beheizung im mittleren Bereich zu, um zu der Position zu gelangen, die mit der ausgezogenen Linie in Figur 26 dargestellt ist.

Wenn dementsprechend die erhöhte Strahlungsenergie, das heißt die Strahlungsleistung, so wie sie ist gemäß der gestrichelten Linie in Figur 26 ohne Kompensation in die Temperatur umgewandelt wird, würde dies eine Temperatur von ungefähr 1700 ⁰C angeben.

Das bedeutet, dieses Temperaturausgangssignal entspricht ungefähr der Temperatur im mittleren Bereich und führt zu einem Fehler von ungefähr +200 ⁰C relativ zu der Temperatur von 1500 ⁰C am Kopfende, so daß man eine genaue Temperaturverteilung innerhalb des Ofens verfehlt und eine Unregelmäßigkeit bei der Behandlungstemperatur der isostatischen Warmpreßvorrichtung hervorgerufen wird. Ein derartiger Fehler kann jedoch mit dem erfindungsgemäßen Kompensationsverfahren ausgeräumt werden.

Genauer gesagt, wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende und unterschiedlicher Länge in dem Hochdruckofen der isostatischen Warmpreßvorrichtung angeordnet, wobei die Wärmestrahlung von der Innenwand der Rohre mit geschlossenem Ende an der öffnung der Rohre abgetastet bzw. gemessen und einer mathematischen Verarbeitung unterworfen wird, wobei der Meßfehler für die Temperatur aufgrund des Streulichtes

-W-

von der Seitenwand der Rohre mit geschlossenem Ende kompensiert bzw. korrigiert wird, um nur die Wärmestrahlungsleistung vom Kopfende der Rohre mit geschlossenem Ende für die Messung der Temperaturverteilung innerhalb des Ofens zu nehmen. Dementsprechend kann der Meßfehler bei der Temperatur aufgrund des Streulichtes von den Seitenwänden der Rohre mit geschlossenem Ende verringert und dadurch die Meßgenauigkeit verbessert werden, so daß die Temperaturverteilung innerhalb des Ofens der isostatischen Warmpreßvorrichtung gleichmäßig gemacht werden kann, so daß sich eine verbesserte Nutzbarkeit bei der Anwendung in isostatischen Warmpreßvorrichtungen sowie für weitere Anwendungszwecke ergibt.

(3) Ausführungsform zum Ausgleich von Verunreinigungsfehlern

Wie oben bereits angegeben, wird der Meßfehler bei der Temperatur aufgrund von Verunreinigungen auf der Einfalls-Endfläche der optischen Faser gemäß der Erfindung ausgeglichen, ohne daß die Fasern tatsächlich gereinigt werden.

Bei einer Ausführungsform dieses Verfahrens ist die Verwendung von Referenzlicht von einer Referenzlichtquelle wesentlich, und das von dieser stammende Referenzlicht wird moduliert und in zwei Richtungen getrennt, von denen die eine überwacht und die andere durch eine zusätzliche optische Faser hindurchgeht und von deren Endfläche zur Einfalls-Endfläche der dem Target gegenüberliegenden optischen Faser für die Temperaturmessung abgestrahlt wird. In diesem Falle geht die Strahlungsenergie von dem Target auch als Lichtsignal zu der gegenüberliegenden Endfläche der optischen Faser für die Messung und wird dann zusammen mit dem Referenzlicht durch die optische Faser für die Messung übertragen bzw. hindurchgelassen und dann herausgenommen .

Die so übertragene und abgegriffene Energie wird in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz getrennt und durch entsprechende synchronisierte Lock-in-Verstärker ausgegeben, Dann werden die Strahlungsenergie des Targets, die durch die Einfalls-Endfläche der dem Target gegenüberliegenden optischen Faser für die Messung hindurchgeht und die Intensität des Lichtes, das durch die Ausgangs-Endfläche der optischen Faser für Referenzlicht und die Einfalls-Endfläche der optischen Faser für die Temperaturmessung hindurchgeht, gemessen und mit der Stärke des überwachten Lichtes verglichen, so daß die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor einschließlich des optischen Abfalles an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser für die Temperaturmessung bestimmt werden kann. Genauer gesagt, die Intensität IrB des Lichtes, das durch die Endfläche der optischen Faser für das Referenzlicht hindurchgelassen wird und mit einer Winkelfrequenz t)r moduliert wird, läßt sich in nachstehender Weise darstellen:

Ire

wobei der Reflexionsfaktor ρ und der Absorptionsfaktor ca für beide Endflächen der optischen Faser zur Temperaturmessung als identisch angenommen werden, da sie sich in derselben Atmosphäre befinden; das Symbol I bezeichnet die Intensität des Referenzlichtes, und W bezeichnet die Intensität des Signallichtes aufgrund der Strahlungsenergie von dem Target.

Weiterhin läßt sich die Intensität IrA des Referenzlichtes , das durch die Endfläche der optischen Faser zur Temperaturmessung hindurchgeht, folgendermaßen darstellen:

(lp<X)j

I (1+Ooea>_rt)

Andererseits läßt sich die Intensität IsA der Strahlungs energie von dem Target, die durch die Endfläche der opti schen Faser für die Temperaturmessung hindurchgeht, in nachstehender Weise darstellen:

( 1— /> — β;) W

Dementsprechend läßt sich die Intensität Is des Lichtes, das von der optischen Faser zur Temperaturmessung auf einen optischen Detektor auftrifft und mit einer Winkelfrequenz OJs moduliert ist, folgendermaßen darstellen:

τ _~ / τ iv \ .1+°°·
A*-** .(-IrA +IJ

( 1—P—CL )* T

1+Ooa<»₈t

χ .

Dementsprechend lassen sich aus den obigen Berechnungen die Ausgangssignale, aufgeteilt auf die jeweiligen Frequenzen, die von den jeweiligen Lock-in-Verstärkern abgegeben werden, das heißt, das Ausgangssignal E1 aufgrund des Signallichtes von dem Target, das Ausgangssignal E2 aufgrund des Ausgangssignals von dem Referenzlicht, das durch die optische Faser für die Temperaturmessung hindurchgelassen wird, und das Ausgangssignal E3 aufgrund des überwachten Referenzlichtes, in der nachstehenden Weise darstellen:

j; c V ( ΐ_Λ_(χ ) χ

* 2 JC ^v ... (26) ,

TB =a -L-

^{1 β} * ... (27) ,

wobei TT das Verhältnis vom Umfang eines Kreises zu seinem Durchmesser angibt.

Dann kann man durch Eliminieren von I und (1 -p - <* ) aus den obigen Gleichungen (25), (26) und (27) die nachstehende Beziehung (28) erhalten:

I Ή! W = * ( E₁ - E₂ ) J -r^- ... (28) .

Auf diese Weise kann mit der Durchführung der Berechnung für die Gleichung (28) in einer herkömmlichen Operationsschaltung der Meßfehler hinsichtlich der Temperatur aufgrund der Verunreinigungen auf der Endfläche der optischen Faser ausgeglichen und auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.

Eine spezielle Ausführungsform der Ausgleichs- oder Kompensationsschaltung gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 27 näher erläutert. Figur 27 zeigt eine Ausführungsform eines Systems zum Ausgleich der Verunreinigungen auf der Einfalls-Endfläche der optischen Faser gemäß der Erfindung. Dabei sind folgende Baugruppen vorgesehen: Eine optische Verzweigung bzw. ein optischer Teiler 61, der aus einen Halbspiegel besteht, optische Modulatoren 62 und 63, eine Referenzlichtquelle 64, Lichtdetektoren 65 und 66, Lock-in-Verstärker 67 bis 69, eine Temperaturanzeigeeinrichtung Dsp, eine optische Faser F1 für die Temperaturmessung, eine optische Faser F2 für Referenzlicht, und ein Target M für das die jeweilige Temperatur zu messen ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird das Referenzlicht von der Referenzlichtquelle 64 mit einer Frequenz fr in dem optischen Modulator 62 moduliert und dann in zwei Richtungen von dem Lichtteiler 61 aufgeteilt, von denen eine mit dem Lichtdetektor 65 überwacht wird und die andere durch die optische Faser F2 hindurchgeht, die für das Referenzlicht vorgesehen ist, und dann von ihrer Ausgangs-Endfläche B zur

Einfalls-Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung abgestrahlt wird.

Dann durchdringt das Referenzlicht die Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung, wird in dem optischen Modulator 63 moduliert und dann von dem Lichtdetektor 66 abgetastet bzw. gemessen. Wenn andererseits das Signallicht aufgrund der Strahlungsenergie von dem Target M die Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung durchdringt, wird es in dem optischen Modulator 63 mit der Frequenz fs moduliert und dann in dem Lichtdetektor 66 in gleicher Weise wie oben abgetastet bzw. gemessen. Das von den Lichtdetektoren 65 und 66 abgetastete Licht wird in die jeweiligen Lock-in-Verstärker 67, 68 bzw. 69 eingegeben. Da der Lock-in-Verstärker 6 7 mit dem optischen oder Lichtmodulator 6 3 synchronisiert ist und die Lock-in-Verstärker 68 und 69 mit dem optischen oder Lichtmodulator 62 synchronisiert sind, werden Signale erhalten, die durch die jeweiligen Frequenzen geteilt sind.

Von diesen liefert der Lock-in-Verstärker 67 ein Ausgangssignal E1, der Lock-in-Verstärker 68 ein Ausgangssignal E2 und der Lock-in-Verstärker 69 ein Ausgangssignal E3 in der oben beschriebenen Weise.

Dementsprechend wird die Intensität des Signallichtes von dem Target M auf der Basis der jeweiligen Ausgangssignale in herkömmlicher Weise in Schaltungen für mathematische Operationen verarbeitet und in der jeweiligen Anzeigeeinrichtung Dsp angezeigt.

Da das Referenzlicht von der zusätzlichen optischen Faser F2 in der oben beschriebenen Weise zur Einfalls-Endfläche der dem Target M gegenüberliegenden optischen Faser Fl für die Temperaturmessung abgestrahlt wird und die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor durch die Intensität des Referenzlichtes bestimmt wird, das durch die gegenüberliegende Endfläche A hindurchdringt, und da

die Verunreinigungen an der Endfläche A gemessen werden, um die optische Information von dem Target M zu kompensieren, sind ein Abwischen, Reinigen oder andere Reinigungsarbeiten für die optische Faser nicht mehr erforderlieh, und es kann eine stabile Temperaturmessung für eine lange Zeitdauer bei hoher Genauigkeit aufrechterhalten werden. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für den Fall, wo es schwierig oder unmöglich ist, die verunreinigte Endfläche der optischen Faser für Meßzwecke von der Außenseite des Hochtemperatur- und Hochdruckofens zu reinigen.

Bei einer zweiten Ausführungsform für das Verfahren zur Kompensation des Verunreinigungsfehlers wird das Referenzlicht direkt in die optische Faser zu Meßzwecken eingeleitet, ohne eine zusätzliche optische Faser wie bei der vorhergehenden Ausführungsform dafür zu verwenden. Genauer gesagt, es wird eine Referenzlichtquelle separat von dem Target angeordnet, und das Licht von dieser wird verwendet, um die Verunreinigung auf der Endfläche der optischen Faser zu messen bzw. abzutasten. Unter Berücksichtigung der obigen Darlegungen wird das Licht von der Referenzlichtquelle zuerst mit einem optischen oder Lichtmodulator moduliert und dann mit einem optischen Teiler aufgeteilt, wobei der eine Teil mit dem Lichtdetektor überwacht wird und der andere Teil durch die Einfalls-Endfläche der optischen Faser zur Temperaturmessung auf der Seite, entgegengesetzt zu der Endfläche, die dem Target gegenüberliegt, eintritt, und das Reflexionslicht von der gegenüberliegenden Oberfläche des Targets wird aufgenommen.

In diesem Falle wird das Reflexionslicht von dem Target zusammen mit der Strahlungsenergie von dem Target durch die optische Faser für die Temperaturmessung aufgenommen, wobei das Referenzlicht und das Signallicht jeweils mit der vorgegebenen Frequenz moduliert werden und die Intensität des Reflexionslichtes gemessen werden kann, indem

3U7724 Z-

man das Signal abtastet, das der relevanten Frequenz entspricht, so daß der Reflexionsfaktor an der Endfläche der optischen Faser zur Temperaturmessung durch die Intensität des überwachten Lichtes bestimmt werden kann. Der Reflexionsfaktor ρ an der Endfläche läßt sich darstellen als:

0 _ V2

' " V3

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: V2 = Intensität des Reflexionslichtes, das durch die

optische Faser hindurchdringt, V3 = Intensität des überwachten Lichtes.

Dementsprechend ist der Transmissionsfaktor gegeben durch die folgende Beziehung:

r - ι -„» χ- -ZL.

V,

Unter Berücksichtigung der obigen Darlegungen wird die Strahlungsenergie von dem Target, für das die Temperatur zu messen ist, aufgrund des so erhaltenen Transmissionsfaktors in herkömmlichen Temperaturverarbeitungsschaltungen berechnet, um ein erforderliches Signal nach der so erhaltenen Kompensation zu erhalten, und die kompensierte Temperatur kann zur Anzeige gebracht werden.

Ein bevorzugtes System für das vorstehend beschriebene Verfahren wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 28 näher erläutert. Figur 28 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit einer derartigen Kompensationsschaltung, die eine optische Faser F zur Temperaturmessung und eine Referenzlichtquelle P als wesentliches Teil gemäß der Erfindung, um die Verunreinigung auf der Einfalls-Endfläche A der optischen Faser F zu messen. Das Licht von der Referenzlichtquelle P wird mit einer Frequenz fr in einem optischen Modulator oder Chopper 78 moduliert, mit einer optischen Verzweigung

oder einem optischen Teiler 72, der aus einem Halbspiegel besteht, in zwei Teile aufgeteilt, von denen einer von einem optischen Detektor 76 überwacht und der andere durch den optischen Teiler 71 hindurchgeht, der sich an der Endfläche B gegenüber der Endfläche A der optischen Faser F gegenüber dem Target M befindet, und tritt durch die Endfläche B in die optische Faser F zur Temperaturmessung ein.

Das in die optische Faer F eingetretene Referenzlicht wird an der Endfläche A der optischen Faser F, die dem Target M gegenüberliegt, reflektiert, durchläuft wieder den optischen Teiler 71, wird mit einer Frequenz fs in dem optischen Modulator 74 moduliert und tritt dann in den optisehen Detektor 75 ein.

Andererseits tritt die Strahlungsenergie von dem Target M von der gegenüberliegenden Endfläche A ein, geht durch die optische Faser F und den optischen Teiler 71 hindurch, wird mit der Frequenz fs moduliert und tritt dann in den optischen Detektor 75 in gleicher Weise wie das Modulationssignal für das Referenzlicht ein.

In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen 77, 78 und 79 jeweils Lock-in-Verstärker, von denen der Lock-in-Verstärker 77 mit dem optischen Modulator 74 synchronisiert ist und die Lock-in-Verstärker 78 und 79 jeweils mit dem optischen Modulator 73 synchronisiert sind, und sie führen synchron eine Gleichrichtung der modulierten Signale durch, die ihnen jeweils mit entsprechenden Frequenzen eingegeben werden.

Betrachtet man nun die Intensität des Lichtes, das in den optischen Detektor 75 und den optischen Detektor 76 eintritt, so läßt sich die Intensität Ir des Lichtes, das in den optischen Detektor 76 eintritt, folgendermaßen darstellen:

Ir - -I- < 1 + Οοβ <y_r t )

wobei ein Reflexionsfaktor an der Endfläche A ist, das Symbol I die Intensität des Referenzlichtes bezeichnet und V die Intensität des Strahlungssignals von dem Target M also des Lichtsignales angibt.

Andererseits ist die Intensität Is des Lichtes, das in den optischen Detektor 75 eintritt, gegeben durch die folgende Beziehung:

f U-* ) ^WH"^"2" ^{(1+Ooe 0}^ * M

-j _. 4 , λ _ _Λ ι nr j. /. f 14-n«. _Λι_ +. ι f 1+Οοβ ω» t _{(3 2})

Dementsprechend läßt sich das Ausgangssignal E1 vom Lockin-Verstärker 77 darstellen als:

,.-.¹T., Pl \ <³³>'

das Ausgangssignal E2 vom Lock-in-Verstärker 78 läßt sich darstellen als:

_λ

K₇ =» />I (34) ,

und das Ausgangssignal E3 vom Lock-in-Verstärker 79 läßt sich darstellen als:

I (35).

Dementsprechend läßt sich durch Eliminieren von I und f aus den Gleichungen (33), (34) und (35) die nachstehende Gleichung (36) erhalten:

Damit wird die Signalintensitat W von dem Target erhalten/ um eine genaue Temperaturmessung zu ermöglichen. In den vorstehenden Gleichungen bezeichnen GJr eine Modulationswinkelfrequenz für das Referenzlicht, cos eine Modulationswinkelfrequenz für das Signallicht, wobei die Beziehungen Or = 21T fr, qs = 2Tf fs gelten und Tf das Verhältnis des Umfanges eines Kreises zu seinem Durchmesser ist.

Die Berechnung für die Gleichung (36) erfolgt in einer Rechenschaltung 28 gemäß Figur 28, und die Resultate werden auf der Anzeige einer Dsp angezeigt. Außerdem kann durch Polarisieren des Referenzlichtes bei der obigen Messung der spektrale Reflexionsfaktor fK an der Endfläche A der Faser F bestimmt ist, was für die spektrale Messung des Targets extrem nützlich ist.

Figur 29 zeigt eine andere Ausführungsform zur Kompensation der Verunreinigung auf der Endfläche der optischen Faser, wobei das Lichtsignal von dem Target ohne Modulation abgetastet wird, so daß der Aufbau der Abtastschaltung vereinfacht wird.

Das System gemäß Figur 29 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Anordnung gemäß Figur 28, mit der Abweichung, daß die Lock-in-Verstärker 77, 78 und 79 gemäß Figur 28 ersetzt sind durch Synchron-Gleichrichterschaltungen 85 und 86 und der optische Modulator unterhalb der optischen Faser in Figur 28 bei dieser Ausführungsform ersetzt ist durch einen optischen Teiler 82. Separiertes Licht der jeweiligen Wellenlängen tritt in einen Detektor 83 für die Strahlungsenergie vom Target M und in einen Detektor 84 für das Reflexionslicht an der Endfläche ein. Das Ausgangssignal von letzterem wird über die Synchron-Gleichrichterschaltung 86 einer Rechenschaltung 90 zur Kompensation der Verunreinigungen auf der Endfläche

3U7724 £

eingegeben, wo es einer mathematischen Verarbeitung unterworfen wird, zusammen mit der Intensität des Lichtes, das von dem Referenzlichtdetektor 87 durch die Synchron-Gleichrichterschaltung 85 abgeleitet wird, und der Intensität des abgezweigten Lichtes von dem Target und über den Detektor zur Messung der Strahlungsenergie, wobei dann eine Kompensation mit dem Ausgangssignal von dem Detektor zur Messung der Strahlungsenergie erfolgt und dann das mit einer Temperatursignal-Wandlereinrichtung in ein Temperatursignal umgewandelt wird, das auf der Anzeigeeinrichtung Dsp zur Anzeige gebracht wird.

Da die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor einschließlich des Abfalles der Lichtmenge an der Einfalls-Endflache der optischen Faser bestimmt wird, indem man die Referenzlichtquelle verwendet und die optische Information damit kompensiert bzw. korrigiert, kann die Temperatur in dem Hochtemperatur- und Hochdruckofen in der isostatischen Warmpreßvorrichtung mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne daß ein unerwünschter Effekt durch die Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der zur Messung vorgesehenen optischen Faser auftritt, wobei keine mühsamen und schwierigen Wisch- oder Reinigungsarbeiten erforderlich sind, um für die Wartung der End- fläche der optischen Faser zu sorgen.

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Claims

3U7724' KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO G 54843-su 3-18, Wakinohama-cho 1-chome, Chuo-ku, Kobe 651, Japan Verfahren zur Temperaturmessung in einem Hochdruckofen einer isostatischen Warmpresse Patentan Sprüche

1. Verfahren zur Temperaturmessung in einem Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung, wobei eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung im Inneren eines Hochdruckbehälters angeordnet sind, um den Hochdruckofen zu bilden und auf das darin enthaltene und zu verarbeitende Material eine isostatische Hochdruckbehandlung auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr mit geschlossenem Ende, dessen Innenseite mit der Innenseite des Hochdruckbehälters in Verbindung steht und das die Hindurchleitung eines Druckmediums ermöglicht, in dem Ofen angeordnet ist, daß ein Einfallskopfende einer optischen Faser, eines Bündels von optischen Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente bzw. Lichtleiter zum offenen Ende des Rohres mit geschlossenem Ende angeordnet ist, so daß es in der Lage ist, das thermisch

abgestrahlte Licht von der Innenseite des Rohres mit geschlossenem Ende aufzunehmen, wobei ein rückseitiges Ausgangsende davon durch eine Abdeckung und zur Außenseite des Hochdruckbehälters herausgeführt ist, und daß ein Meßsystem an das rückseitige Ausgangsende angeschlossen ist, um die Wärmestrahlungsleistung vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende abzutasten und dadurch die Temperatur im Inneren des Ofens zu messen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter mit Metall beschichtet oder überzogen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungs- oder Überzugsmetall aus einem Metall besteht, das aus der nachstehenden Gruppe von Fe, Ti, Cu, Zn, Pb, Sn, Al, Cr, Co, Ni, Mo, W, Pd und Pt ausgewählt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter durch die untere Abdeckung der isostatischen Warmpreßvorrichtung nach außen herausgeführt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente oder Lichtleiter einen Kollimator an ihrem Kopfende aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente oder Lichtleiter an der Öffnung des Rohres mit geschlossenem Ende mit einer Halterung gehalten sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische Element als Quarzglasstange ausgebildet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische Element als Saphirstange ausgebildet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende jeweils in unterschiedlicher Höhe an der Innenseite des Ofens vorgesehen sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem ein Strahlungsthermometer aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwellenlänge im Strahlungsthermometer zwischen 0,3 μπι und 0,6 μΐη liegt.

12. Verfahren zur Messung der Temperaturverteilung im Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung, wobei eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung im Inneren eines Hochdruckbehälters angeordnet sind, um den Hochdruckofen zu bilden und auf das darin enthaltene und zu verarbeitende Material eine isostatisehe Hochdruckbehandlung auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende und jeweils unterschiedlicher Länge, deren Innenseite mit der Innenseite des Hochdruckofens in

Verbindung steht und die den Durchgang von Druckmedium ermöglichen, vorgesehen sind, wobei das Kopfende für jedes der Rohre mit geschlossenem Ende so angeordnet ist, daß es im Gleichgewicht mit der peripheren Temperatur ist und Strahlungswärme abgibt, die der jeweiligen Heizzone an der Innenseite des Rohres mit geschlossenem Ende entspricht, daß ein Einfalls-Kopfende einer optischen Faser, eines Bündels von optischen Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer EIemente oder Lichtleiter zum offenen Ende für jedes der Rohre mit geschlossenem Ende angeordnet sind, so daß sie in der Lage sind, das thermisch abgestrahlte Licht von der Innenwand der jeweiligen Rohre mit geschlossenem Ende aufzunehmen, wobei ein rückseitiges Ausgangsende von ihnen durch eine Abdeckung zur Außenseite des Hochdruckbehälters herausgeführt ist, und daß ein Meßsystem an jedes der rückseitigen Ausgangsenden angeschlossen ist, um die Wärmestrahlungsleistung von der Innenwand der jeweiligen Rohre mit geschlossenem Ende abzutasten, und daß eine Kompensationsoperation durchgeführt wird, um die Wärmestrahlungsleistung zu subtrahieren, die von der unteren Position der Innenwand der jeweiligen Rohre mit geschlossenem Ende in die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter eintritt, um eine Temperatur aufgrund der Wärmestrahlungsleistung vom Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende in jeder der Heizzonen in dem Hochdruckofen aufzunehmen und dadurch die Temperatur-Verteilung in der Heizzone im Ofen zu messen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit geschlossenem Ende aus wärmebeständigem Material besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre mit geschlossenem Ende im Inneren des Hochdruckofens angeordnet sind, wobei ihre

Kopfenden sich in den jeweiligen Heizzonen befinden, die den Heizeinrichtungen entsprechen, wobei eine Unterteilung in obere, mittlere und untere Bereiche vorgenommen ist.

15. Verfahren zur Temperaturmessung im Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzlichtquelle vorgesehen ist und das Referenzlicht von dieser von der Ausgangs-Endfläche der optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente oder Lichtleiter zur Aufnahme der Strahlungsenergie im Ofen eintritt, daß das Reflexionslicht von der anderen Endfläche (Einfalls-Endfläche für die Strahlungsenergie vom Ofen) der optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente oder Lichtleiter aufgrund des einfallenden Referenzlichtes zusammen mit der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens aufgenommen wird, wobei die so aufgenommene Energie anschließend in das Strahlungslicht von der Innenseite des Ofens und das reflektierte Referenzlicht separiert wird, um die gesamte Lichtdurchlässigkeit für die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter einschließlich der Verluste an ihren Endflächen zu bestimmen, und daß die optische Information aufgrund der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens unter Berücksichtigung der Lichtdurchlässigkeit korrigiert wird.

16. Verfahren zur Temperaturmessung im Hochdruckofen einer isostatischen Warmpreßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenζlichtquelle, eine erste optische Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter zur

Aufnahme der Strahlungsenergie im Ofen sowie eine zweite optische Faser, ein Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter/ die sich davon unterscheiden, vorgesehen sind, daß das Referenzlicht von der Referenzlichtquelle durch die zweite optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente oder Lichtleiter zur Einfalls-Endfläche der ersten optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern oder der anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente oder Lichtleiter eingestrahlt wird, daß das Referenzlicht zusammen mit der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens, die durch die optische Faser, das Bündel von optischen Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente oder Lichtleiter hindurchgeht, aufgenommen wird, und danach die so aufgenommene Energie in das Strahlungslicht von der Innenseite des Ofens und das Referenzlicht separiert wird, um die gesamte Lichtdurchlässigkeit der ersten optischen Faser, des Bündels von optischen Fasern und der anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente oder Lichtleiter einschließlich der optischen Verluste an ihren Endflächen zu bestimmen, und daß die optische Information aufgrund der STrahlungsenergie von der Innenseite des Ofens unter Berücksichtigung des Transmissionsfaktors korrigiert wird.