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Titel der Erfindung
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Pyrometer zur Temperaturmessung Anwendungsgebiet der Erfindung Die
Erfindung betrifft ein Pyrometer zur Temperaturmessung im gesamten Bereich der Volkswirtschaft,
beispielsweise auch zur Temperaturmessung von Metall- oder Glasschmelzen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Zur Temperaturmessung
werden in allen Bereichen der Volkswirtschaft berührend messende Temperaturfühler
wie Widerstandsthermometer oder Thermoelemente bzw. berührungslos messende Pyrometer
eingesetzt. Besonders für hohe zu messende Temperaturen (höher als 600°C) werden
Thermoelemente oder Pyrometer genutzt.
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Thermoelemente unterliegen gewissen Alterungs- und Drifterscheinungen.
Diese Erscheinungen nachen sich als Meßfehler bemerkbar. Die Meßfehler sind bei
hohen Temperaturen groß und machen sich außerdem in kurzer Zeit bemerkbar. Daher
müssen diese Thermoelemente nach relativ kurzer Meßdauer erneuert werden. Bei besonders
anspruchsvollen Messungen ist außerdem nur ein Kurzzeitbetrieb zulässig, bzw. es
wird nur eine maximal mögliche Anzahl von Messungen zugelassen. (z. B. Tauchtermoelemente)
(Eichert, G.: Erfahrungen mit Tauchthermoelementen, Stahl und Eisen 74 (1954), S.
95) Thermoelemente müssen bei den erurhnten Temperaturen stets von Schutzwerkstoffen
umhüllt sein. Die Schutzwerkstoffe
bestehen aus Metall, bei höheren
Temperaturen aus speziellen Keramiken. Trotz hoher Dichtheit der Schutzwerkstoffe
gelangen Atome bzw. Moleküle aus dem zu messenden Medium bzw. aus dem Schutzwerkstoff
selbst durch Diffusionsvorgänge in die Thermoelemente. Besonders bei hochreinen
Metallen, z. B. Platin, tritt sofort eine Beeinflussung der Thermospannung auf.
Bei Überschreiten des zulässigen Meßfehlers muß das Thermoelement erneuert werden.
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(Samsonow, G. W. u. a.: Betriebszuverlässigkeit von Widerstandsthermometern
und Thermoelementen, VDI-Z 112 (1970) S. 79, S. 353, S. 1149) Einige für Thermoelemente
verwendete Materialien werden besonders bei hohen Temperaturen schnell spröde und
können bei geringster mechanischer Belastung brechenir Das Thermoelement muß dann
auch erneuert werden. (Guthmann, K.: Toleranzen und Fehler bei der Temperaturmessung
mit Thermoelementen, Archiv für das Eisenhüttenwesen, 25 (1954), H. 11/12, S. 535)
Sin weiterer Nachteil besteht in der nicht zu vernachlässigenden Meßträgheit, die,
besonders bei vom Schutzwerkstoff isoliert eingesetzten Thermoelementen, bis zu
einigen 10 Minuten betragen kann. (Lieneweg, F.: Temperaturmessung, in: Handbuch
der technischen Betriebskontrolle, Band 3, Akademische Verlagsgesellschaft Geest
und Portig KG, Leipzig, 1959) Der Raum zwischen Thermoelement und Schutzwerkstoff
muß außerdem noch mit Isoliermaterial, in der Regel Oxidkeramikpulver, gefüllt sein,
um einen hohen Isolationswiderstand zu gewährleiston. Das Isoliermaterial ist recht
teuer und außerdem in der Verarbeitung gesundheitsschädlich.
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Bei höheren Temperaturen sinkt Jedoch auch der Isolationswiderstand
ab, und es kann zu unerwünschten Potentialverkopplungen kommen. Dieser nachteilige
Effekt kann nur durch eine zusätzliche Potentialtrennschaltung vermieden werden.
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Wie schon erwähnt, werden auch Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung
eingesetzt. Dabei gelangt die vom
Meßobjekt ausgehende Strahlung
über eine Optik auf den strahlungsempfindlichen Empfänger. Dabei wird die Optik
den umgebenden Medium ausgesetzt. Zwischen Meßobjekt und Optik des Pyrometers befinden
sich in der Regel Gase, berosole und Dämpfe, wie Wasserdämpfe und Kohlendioxid,
die u. a. einen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben. Man unterdrfiokt diese Einflüsse
durch spezielle Filter für solche Wellenlängenbereiche, die an athmosphärische Fenster
nennt. Diese Filter sind sehr teuer und können außerdem zusätzliche Meßfehler hervorrufen.
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In der Übertragungsstrecke zwischen Meßobjekt und Pyroaeteroptik können
sich auch Staub- und andere Schmutzpartikel, beispielsweise Hüttenasche, befinden,
die zu einer Minderung der vom Meßobjekt ausgehenden Strahlungsenergie führen. Dieser
Mangel kann in gewissen Grenzen durch die Verwendung von Mehrfarbenpyrometern ausgeglichen
werden, erhöhen demzufolge Jedoch den Meßaufwand. (Walther, L.
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und Gerber, D.: Infrarotmeßtechnik, Vfl Verlag Technik, Berlin, 1981)
Die sich in der Luft befindlichen Partikel schlagen sich auf der Linse der Optik
nieder und verursachen weitere Meßfehler. Dieser Einfluß wird verringert, wenn mit
sauberer Luft die Linse ständig freigeblasen wird. Eine derartig. Einrichtung ist
kompliziert anzubringen und erfodert außerdem die zusätzliche Bereitstellung unter
Druck stehender sauberer flift. (Lieneweg, F.: Temperaturmessung, in: Handbuch der
technischen Betriebskontrolle, Band 3, Akademische Verlagsgesellschaft Geest und
Portig KG, Beipzig, 1959) Prinzipiell muß bei pyrometrischer Temperaturmessung das
Emissionsvermögen des MeßobJektes bekannt sein, um eine entsprechende Korrektur
des Meßergebnisses vornehmen zu können. Nur wenn sich das Meßgut wie ein schwarzer
8trahler verhält, ist das Meßergebnis unabhängig vor Emisssonsgrad des Meßobjektes.
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Gelegentlich bildet man einen schwarzen Strahler dadurch nach, daß
man beispielsweise ein Glührohr in eine Schmelze eintaucht und die Temperaturstrahlung
vom Boden des Glührohres mißt. Das Glührohr kann auch über eine Vorrichtung fest
mit den Pyrometer verbunden werden. (Heinke, W.: 3inbauvorrichtungen für Ardometer,
Siemens-Z. 35 (1961) S. 150) Diese Vorrichtung muß so ausgebildet sein, daß keine
störenden sioh in der umgebenden Athmosphäre befindenden Partikel in das Glührohr
gelangen können und daß diese Vorrichtung über einen weiten Umgebungstemperaturbereich
ihre volle Funktionsfähigkeit behält. Weiterhin ist von Nachteil, daß diese Vorrichtung
die optische Achse des mit dem Glührohr verbundenen Pyrometers beeinflußt, so daß
nur bei sorgfältiger mechanischer und optischer Justage stets der Boden des Glührohres
anvisiert wird.
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Nachteilig wirkt sich nanohmal auch aus, daß mit Pyrometern nur Oberflächentemperaturen
gemessen werden können.
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So können Schlacken oder Verzunderungen auf Schmelzen zu erheblichen
Abweichungen von der Temperatur des Meßobjek tes führen, da diese eine geringere
Temperatur aufweisen.
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Weiterhin sachen sich Storstrahlungen von Strahlungsquellen außerhalb
von Meßobjekt nachteilig bemerkbar, z. B.
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bei vorhandenen weiteren Schmelzwannen oder auch Einstrahlung von
Sonnenlicht.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die angeführten Nachteile
der bekannten technischen Lösungen zur Temperaturmessung zu vermeiden und ein Pyrometer
zur Temperaturmessung zu schaffen, bei den die Herstellungskosten wesentlich gesenkt
werden können, ohne die Einsatzmöglichkeiten des Pyrometers zu beschränken.
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Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung ist darin zu
sehen, daß bei unkomplizierter, robuster Ausführung der Einsatz auch in explosionsgefährdeten
Räumen infolge der potentialfreien Messung erfolgen kann. Weiterhin kann eine von
Emissionsgrad des MeßobJektes völlig unabhängige Messung vorgenommen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird gegenüber bekannten Lösungen
die Anzahl der Bauelemente wesentlich verringert und das Bauvolunen minimiert. Der
Einsatz dieses Pyrometers schafft die vorteilhafte Tatsache der 3insparung von Edelmetallen,
beispielsweise Platin, was sich auch gtlnstig auf die Kosten auswirkt.
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Nicht unerwähnt bleiben soll der nützliche Effekt bei der Anwendung
der Erfindung, der in der wesentlich verlängerten Lebensdauer bei gleichzeitiger
Verringerung der ließfehler und reduzierten Drift- und Langzeitstabilitätskennwerten
besteht.
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Die erfindungsgemäße Ausführung gestattet die Anwendung bei einer
wesentlich erweiterten Einsatzbreite und arbeitet unabhängig vom Einfluß störender
Strahlungen sowie der bisherigen zwangsläufigen Verschmutzung bzw. Zerstörung der
optischen Teile.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das bei unkomplizierter
und robuster Ausführung eine vom Emissionsgrad des MeßobJektes bzw. Meßgutes völlig
unabhängige Messung gestattet und unter Beibehaltung der notwendigen Meßgenauigkeit
die Einsatzbreite wesentlich erweitert und außerdem unabhängig vom Einfluß störender
Strahlung parasitärer Strablungsquellen sowie von der Einbaulage arbeitet, Verschmutzung
bzw. Zerstörung der optischen Zeile durch äußere Einflüsse vermeidet und ein in
der Automatisierungstechnik übliches elektrisches Ausgangssignal liefert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gel5st, daß das Pyrometer
zur Messung von Temperaturen aus einem allseitig geschlossenen Schutzgefäß, bestehend
aus einem Schutzrohr und einem Anechlußkopf mit Deckel sowie e5ner im Anschlußkopf
vorhandenen Öffnung zur Durchführung der Zuleitung besteht.
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Im Anschlußkopf des allseitig geschlossenen Schutzgefäßes sind eine
optische Einrichtung, ein Sensor sowie eine Elektronik und Anschlußklemmen installiert,
wobei der strahlungsempfindliche Sensor so im Anschlußkopf angeordnet ist, daß er
ein von der optischen Einrichtung fokussiertes Strahlenbündel vom Boden des Schutzrohres
empfängt.
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Auführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Dabei zeigt Pig. 1 das erfindungsgemäße Pyrometer Fig. 2
eine bevorzugte Einbauvariante bei der Temperaturmessung des Meßgutes.
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Fig. 1 stellt das allseitig geschlossene Schutzgefäß, bestehend aus
Schutzrohr 1 und einem damit lösbar verbundenen Anschlußkopf 2, einem auf ihm befestigten
Deckel 3 sowie einer verschraubbaren Öffnung 4 zur Durchführung der Zuleitung, dar.
Im Anchlußkopf 2 befindet sich der Sensor 8 mit der vorgelagerten optischen Einrichtung
7 zur Fokussierung des Strahlenbündels 6 vom Boden des Schutzrohres 5 auf den Sensor
8. An den Sensor 8 ist die Elektronik 9 angeschlossen, die wiederum mit den Anschlußklemmen
10 in Verbindung steht.
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Aus Fig. 2 ist die Anordnung des erfindungsgemäßen Pyrometers im Meßgut
11 ersichtlich.
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Das zu messende Meßgut 11 erwärmt das Schutzrohr 1 des allseitig geschlossenen
Schutzgefäßes so, daß nach einer gewissen Erwärmungszeit das Schutzrohr 1 und der
Boden des Schutzrohres 5 bis auf einen meßtechnisch uninteressanten Betrag die Temperatur
des zu messenden Meßgutes 11 angenommen hat. Dann geht vom Boden des Schutzrohres
5 eine Temperatur- bzw. Wärmestrahlung aus, deren Strahlenbündel 6 in bekannter
Weise von einer optischen 3inrichtung 7 auf den Sensor 8 fokussiert wird. Der Sensor
8 wandelt das fokussierte Strahlenbündel 6 in eine elektrische Größe um, die von
der sich im Ansohlußkopf 2 befindlichen Elektronik 9 verstärkt und so aufbereitet
wird, daß hier nicht näher dargestellte Meßgeräte, wie Anzeiger oder Regler, an
die Anschlußklemmen 10 angeschlossen werden können.
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Das Schutzrohr 1 kann an seinem rückivärtigen Sunde mit dem Anschlußkopf
2 verschraubt sein, indem das Schutzrohr 1
am rückwärtigen sunde
ein Außengewinde und der Anschlußkopf 2 ein Innengewinde besitzt. Dadurch wird die
optische Einrichtung 7 nicht nur gegen äußere Einflüsse geschützt, sondern zugleich
eine feste Ausrichtung zwischen der optischen Achse der optischen Einrichtung 7
und dem Schutzrohr 1 erzielt. Damit wird nach vorhergehender Justage der optischen
Einrichtung 7 stets der Boden des Schutzrohres 5 anvisiert.
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Zweckmäßigerweise führt man den Anschlußkopf 2 im wesentlichen zylinderförmig
aus. Seine obere Begrenzung wird aus naheliegenden Gründen von einem an den Anschlußkopf
2 anschraubbaren, kreisförmig ausgebildeten Deckel 3 gebildet. Die obere Begrenzung
des Anschlußkopfes 2 kann so gestaltet sein, daß die Befestigungsebene des Deckels
3 zur Achse des Schutzrohres 1 nicht in einem rechten Winkel steht.
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Außerdem kann, wie in Fig. 1 dargestellt, der Anschlußkopf 2 eine
verschraubbare Offnung 4 zur Durchführung der Zuleitungen zu den Anschlußklemmen
10 haben. Damit wird gewalirleistet, daß das allseitig geschlossene Schutzgefäß,
bestehend aus Schutzrohr 1 und dem Anschlußkopf 2 mit dem Deckel 3 und der verschraubbaren
Oeffnung 4, gegenüber äu-Beren Einflüssen einen vollständigen Schutz gewährleistet.
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Mit Hilfe dieses allseitig geschlossenen Schutzgefäßes werden daher
durch Pyrometer der in Rede stehenden Art alle störenden Einflüsse des zu vermessenden
Meßgutes 11 sowie des umgebenden Mediums auf das Meßergebnis vermieden.
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Dadurch wird die tatsächliche Temperatur des Bodens des Schutzrohres
5 ohne Beeinflussung durch die Temperaturverteilung im Schutzrohr 1 und im Anschlußkopf
2 gemessen.
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Aufstellung der zu verwendenden Bezugazeichen zur Brfindungsbeschreibung
"Pyrometer zur Temperaturmessung1, 1 Schutzrohr 2 Anschlußkopf 3 Deckel 4 Öffnung
5 Boden des Schutzrohres 6 Strahlenbündel 7 optische Einrichtung 8 Sensor 9 Elektronik
10 Anschlußklemmen 11 Meßgut
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