DE3516055C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum pyrometrischen Messen der wahren Temperatur von beispielsweise Stahlband in einem Ofen, bestehend aus einem zwischen Meßgutoberfläche und Pyrometer angeordneten Meßraum, der in einer heizbaren, mit einem Temperaturfühler versehenen Ergänzungsfläche eine Meßöffnung aufweist, in deren Achse das optische Pyrometer angeordnet ist.

Es ist ein Verfahren bekannt (US-PS 26 11 541), das auf dem Gedanken basiert, anstelle eines bekannten aktiven Strahlers eine strahlende und gleichzeitig reflektierende Fläche zu verwenden, um das Emissionsvermögen des Meßgutes scheinbar dem eines Schwarzstrahlers anzugleichen. Dazu wird vorgeschlagen, im Abstand von der Meßgutoberfläche eine Ergänzungsfläche mit einer Meßöffnung anzuordnen, durch die ein vom Meßgut ausgehender Meßstrahl der Optik eines Pyrometers zugeführt wird.

Die Ergänzungsoberfläche soll so ausgeführt sein, daß eine mindestens 10fache Reflektion, bei anderen Wellenlängen sogar 20- oder 30fache Reflektion gewährleistet ist. Zu diesem Zweck ist das Pyrometer um einen Winkel von ca. 60 Grad geneigt angeordnet und die Ergänzungsfläche ist spiegelnd poliert aus Aluminium gefertigt. Dabei setzt die bekannte Lösung voraus, daß nach entsprechend häufiger Reflektion tatsächlich die Optik des Pyrometers getroffen wird, ohne daß durch Streustrahlungen das Meßergebnis verfälscht wird. Die bekannte Lösung wendet eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen an, um Verfälschungen des Meßergebnisses zu verhindern; diese Maßnahmen machen die Vorrichtung aufwendig und kompliziert. Zu erwähnen sei hierzu beispielsweise das Aufrauhen bzw. Sandstrahlen von Oberflächenteilen, die Verwendung von besonderen Werkstoffen wie Kupfer und Aluminium und die geneigte Anordnung des Pyrometers zum Erzielen der notwendigen Zahl an Reflektionen.

Auch ist zu erwarten, daß die polierte Aluminiumoberfläche im praktischen Betrieb infolge der hohen herrschenden Temperaturen von etwa 600 Grad nicht lange spiegelnd bleibt und somit die ausreichende Reflektion nicht mehr gewährleistet ist. Die schnelle Reaktion der Meßvorrichtung auf gesteuerte Temperaturwechsel läßt sich mit der bekannten Vorrichtung ebenfalls nicht verwirklichen, weil die innerhalb des "Strahlers" angeordnete Heizspirale stets das gesamte Bauteil erhitzen muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der bekannten Art so zu verbessern, daß sie in ihrer konstruktiven Gestaltung den thermischen und mechanischen Belastungen im praktischen Einsatz ebenso gerecht wird, wie auch den verfahrensbedingten Notwendigkeiten, wie z. B. dem schnellen Reagieren auf gesteuerte Temperaturwechsel der Ergänzungsfläche.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Meßraum als Metallzylinder ausgebildet ist, an dessen dem Meßgut zugewandten Ende eine die Meßöffnung umschließende, von elektrischem Strom durchflossene, in einer zum Meßgut parallelen Ebene angeordnete Heizspirale vorgesehen ist, die die Ergänzungsfläche bildet.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich wesentlich vom Stand der Technik und der dort offensichtlich für notwendig gehaltenen gezielten Zehn- oder Mehrfachreflektion. Bei der Erfindung wird das Pyrometer senkrecht über der Bandoberfläche angeordnet, wobei zwischen der Band- oder Meßgutoberfläche und dem Pyrometer ein Tubus vorgesehen ist, an dessen unterem Ende eine parallel zum Meßgut angeordnete Heizspirale die Ergänzungsfläche bildet. Damit wird bewußt auf die gerichtete Reflektion nach dem Stand der Technik und deren Nachteile verzichtet, weil die Erfindung erkannt hat, daß mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Meßvorrichtung die Interaktion der Strahlungsteile von Ergänzungsfläche und Meßgut zum erwarteten Meßergebnis führen. Dazu ist der Tubus ein wichtiges Bauteil, das eine dem Meßergebnis dienliche Eigenstrahlung und Reflektion von selbt ermöglicht. Die Verwendung der Heizspirale selbst als Ergänzungsfläche erhöht nicht nur die Meßgenauigkeit, sondern auch die Schnelligkeit der Anpassung des Meßergebnisses an Temperaturschwankungen. Die Anordnung eines Temperaturfühlers an der Heizspirale dient zum Nachführen der Temperatur der Zusatzfläche an Veränderungen der Meßguttemperatur, um die Angleichung an die Verhältnisse beim schwarzen Strahler zu erreichen. Auf polierte spiegelnde Flächen kann vollständig verzichtet werden, die Ergänzungsfläche ist vielmehr aus einem emissionsgleichen oder -ähnlichen Material geschaffen, das sich auch im Betrieb nicht verändert.

Um die im Bedarfsfall zu erwärmende bzw. abzukühlende Masse dieser Ergänzungsfläche gering zu halten, ist nach einem Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß die Heizspirale aus einem Rohr besteht, das nach einem anderen Merkmal auf Stegen angeordnet ist, um einerseits die notwendige mechanische Stabilität zu gewährleisten und andererseits den Kühlgutfluß dann nicht zu behindern, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen ist, daß die Windungen der Heizspirale zum Durchlaß von Kühlgas voneinander beabstandet sind.

Um die Spirale möglichst schnell zur Anpassung an die Meßguttemperatur abkühlen zu können, wird zur Kühlung das Kühlgas durch die Windungsabstände der Heizspirale hindurchgeführt, wobei erfindungsgemäß als Kühlgas das im Ofeninnere vorhandene Schutzgas verwendet wird.

Des weiteren wird vorgesehen, daß der Metallzylinder in seinem dem Meßgut zugewandten Bereich durch mindestens eine Kammer quer unterteilt ist, in die von außen das Kühlgas eingeleitet wird und die zur Erzeugung eines gleichverteilten Gasflusses in Richtung zur zu kühlenden Heizspirale mit Lochblechen ausgerüstet ist. Es ist denkbar, auch zwei Kammern vorzusehen, die in sicherer Weise zum Abbau von Wirbeln und zur Beruhigung des Kühlgutstromes zu einem gleichverteilten Gasfluß dienen.

Ein anderes Merkmal der Erfindung sieht vor, daß die Heizspirale mit mindestens einem Temperaturfühler (Thermoelement) versehen ist. Es empfiehlt sich, zwei oder mehrere Thermoelemente vorzusehen, damit bei Ausfall eines Thermoelementes nicht der gesamte Metallzylinder ausgewechselt werden muß, sondern eine entsprechende Umschaltung ausreicht.

Um ein möglichst geringes Volumen an warmem Gas im Kühlfall ausfördern zu müssen, ist das Volumen der Kammer klein zu halten.

Der verbleibende, dem Pyrometer zugewandte Bereich des Metallzylinderinnenraumes ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung um die Meßöffnung herum mit Isoliermaterial gefüllt.

Ein anderes Merkmal der Erfindung sieht vor, daß durch das Zentrum des Metallzylinders und koaxial dazu ein Sichtrohr hindurchgeführt ist, das die Meßöffnung für das optische Pyrometer bildet. Das Sichtrohr ist vorzugsweise mit Hilfe von von außen zuführbarem Ofengas umspülbar.

Nach der Erfindung ist die Innenoberfläche des Sichtrohres reflektionsmindernd ausgebildet, beispielsweise durch gezielte Oxidationsbehandlung. Dadurch ist das Reflektionsvermögen im Bereich der Meßwellenlänge stark reduziert.

Um einen möglichst großen Temperaturabstand zwischen Meßtemperatur und Temperatur des Innenrohres zu erhalten, ist nach einem anderen Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß das Sichtrohr von einem zweiten Rohr umgeben ist, zwischen dem und dem Sichtrohr Kühlgas, vorzugsweise Ofengas, einführbar ist.

Günstigerweise wird das Kühlgas mittels einer Zuleitung in den meßgutnahen Bereich des Sichtrohres eingeführt und nach Umspülen des gesamten Sichtrohres durch Öffnungen in den Innenraum des Ofens gelei­ tet. Durch diese Konstruktion wird ein ausreichender Temperaturabstand zwischen Meßtemperatur und Innenrohrtemperatur erreicht; eine Wasserkühlung, wie sie der Stand der Technik bei der Verwendung von Pyrometern vorsah, ist nicht erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine Ansicht der als Heizspirale ausgebildeten Ergänzungs­ fläche.

In Fig. 1 ist mit 1 der Metallzylinder (Tubus) bezeichnet, der die nachfolgend beschriebenen Teile aufnimmt. Am unteren, dem Meßgut M (hier ein Band) zugewandten Ende des Metallzylinders 1 ist ein zur Spirale gebogenes Rohr 2 angeordnet, das direkt vom elektrischen Strom durchflossen und damit geheizt wird. Die Zwischenräume 3 der in Fig. 2 deutlich erkennbaren Rohrspirale 2 können zur Abkühlungsbeschleuni­ gung von Gas durchströmt werden. Die zur Heizung notwendige elektri­ sche Energie wird mittels elektrischer Leiter 4 von außen zugeführt, sie sind massiv ausgeführt. Das durch die Windungszwischenräume 3 ge­ führte Schutzgas tritt durch das Rohr 5, von außen geführt, in zwei Kammern 6 und 7 ein, die dem Abbau von Wirbeln und zur Beruhigung in einen gleichverteilten Gasfluß dienen. Die Kammern sind gegeneinander und in Richtung zur zu kühlenden Heizspirale mit Lochblechen 8 ausge­ rüstet, so daß das Gas gleichverteilt und parallel die Zwischenräume 3 der Heizspirale durchströmen kann.

Die Heizspirale ist mit Thermoelementen 9 und 10 versehen, mittels derer die Temperatur gemessen und auf einen konstanten Wert (die Band­ temperatur) geregelt werden kann. Vorzugsweise werden zwei Thermoele­ mente 9 und 10 verwendet, damit bei einem Ausfall nicht direkt der Me­ tallzylinder 1 ausgewechselt werden muß, sondern lediglich entsprechend umgeschaltet zu werden braucht.

Wie in Fig. 2 erkennbar, ist die Heizspirale 2 auf Stegen 11 gehalten, die - kreuzförmig angeordnet - die notwendige mechanische Stabilität gewährleisten und andererseits den vorbeschriebenen Kühlgasfluß durch die Zwischenräume 3 wenig behindern.

Die Kammern 6, 7 zur Gasberuhigung sind in Richtung Heizspirale 2 an­ geordnet, um ein möglichst geringes Volumen an warmem Gas im Kühlfall ausfördern zu müssen, bevor das kalte Gas, durch die Leitung 5 von außen zugeführt, kühlwirksam wird. Der Metallzylinderinnenraum ist aus dem gleichen Zweck, wie bei 12 dargestellt, mit Isoliermaterial ausgefüllt. Im Zentrum des Metallzylinders 1 befindet sich das Sichtrohr 13, durch welches das Pyrometer 14 auf das zu messende Objekt M sieht. Dieses Rohr wird innen gespült, wozu das von außen zugeführte Ofengas verwen­ det wird. Das Rohr 13 wird außerdem gekühlt, um einen möglichst großen Temperaturabstand zwischen Meßtemperatur und Innenrohrtemperatur zu er­ halten. Dazu wird über ein Rohr 15 das Kühlgas (auch hier wieder das Ofengas) durch Zuführungen 21 bis an das vordere Ende des Innenrohres geführt, von wo es, das Innenrohr umspülend zwischen dem Innenrohr und dem dieses umgreifenden weiteren Rohr 22 zurückströmt, um noch im Innenraum des Ofens aus Öffnungen 16 auszutreten. Durch diese Konstruk­ tion wird für dieses Verfahren ein ausreichender Temperaturabstand zwi­ schen Meßtemperatur und Innenrohrtemperatur erreicht, so daß eine Wasserkühlung entbehrlich ist.

Durch ein am unteren Ende des Sichtrohres 13 angebrachtes, weiteres Thermoelement 17 kann die Temperaturabsenkung des Sichtrohres meßtech­ nisch erfaßt werden.

Wie dargestellt, kann das Sichtrohr 13 durch einen Kugelschieber 18 dicht abgeschlossen werden, um das Pyrometer 14 montieren zu können, auch wenn der Metallzylinder 1 im Ofen eingebaut ist. Darüber hinaus ge­ stattet ein Kugelkopf 19 das Ausrichten des Pyrometers 14 entsprechend der optischen Achse des Metallzylinders. Ein klappbarer Anbauflansch 20, der letztlich das Pyrometer 14 trägt, gestattet ein Aufschwenken, z. B. um die Pyrometeroptik im Bedarfsfall reinigen zu können. Inner­ halb des Anbauflansches 20 ist außerdem ein Fenster 23 angeordnet, das nach Aufklappen des Anbauflansches 20 zum Reinigen herausgenommen wer­ den kann. Eine kräftige Laternenkonstruktion 24 gibt den am Außen­ flansch des Metallzylinders montierten Teilen, einschließlich Pyro­ meter 14, die notwendige Stabilität.

Die gesamte Metallzylinderkonstruktion ist so ausgelegt daß sich alle Teile innerhalb des Metallzylinders frei bewegen können, um der unver­ meidlichen Wärmeausdehnung gerecht zu werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum pyrometrischen Messen der wahren Temperatur von beispielsweise Stahlband in einem Ofen, bestehend aus einem zwischen Meßgutoberfläche und Pyrometer angeordneten Meßraum, der in einer heizbaren, mit einem Temperaturfühler versehenen Ergänzungsfläche eine Meßöffnung aufweist, in deren Achse das optische Pyrometer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßraum als Metallzylinder (Tubus 1) ausgebildet ist, an dessen dem Meßgut (M) zugewandten Ende eine die Meßöffnung umschließende, von elektrischem Strom durchflossene, in einer zum Meßgut (M) parallelen Ebene angeordnete Heizspirale (2) vorgesehen ist, die die Ergänzungsfläche bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspirale (2) aus einem Rohr besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspirale (2) auf Stegen (11) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Heizspirale (2) zum Durchlaß von Kühlgas voneinander beabstandet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas das im Ofeninneren vorhandene Schutzgas verwendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzylinder (1) in seinem dem Meßgut (M) zugewandten Bereich durch mindestens eine Kammer (6, 7) quer unterteilt ist, in die von außen (5) das Kühlgas eingeleitet wird und die zur Erzeugung eines gleichverteilten Gasflusses in Richtung zur zu kühlenden Heizspirale (2) mit Lochblechen (8) ausgerüstet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Pyrometer (14) zugewandte Bereich des Metallzylinderinnenraumes um die Meßöffnung herum mit Isoliermaterial (12) gefüllt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zentrum des Metallzylinders (1) und koaxial dazu ein Sichtrohr (13) hindurchgeführt ist, das die Meßöffnung für das optische Pyrometer (14) bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche des Sichtrohres reflektionsmindernd ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtrohr (13) mit Hilfe von von außen zuführbarem Kühlgas, vorzugsweise Ofengas, umspülbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtrohr (13) von einem zweiten Rohr (22) umgeben ist, zwischen dem und dem Sichtrohr (13) Kühlgas, vorzugsweise Ofengas, einführbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas mittels einer Zuleitung (21) im meßgutnahen Bereich des Sichtrohres (13) eintritt und nach Umspülen des gesamten Sichtrohres (13) durch Öffnungen (16) in den Innenraum des Ofens leitbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am meßgutnahen Ende des zweiten Rohres (22) ein Temperaturfühler (Thermoelement 17) vorgesehen ist.