DE3605737A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien, die insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen, bei dem über die Messung der Strahlungsleistung die Temperatur bestimmt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens, mit einem Detektor und einer Signalauswertung zur Ermittlung der Temperatur über die Messung der Strahlungsleistung.

Temperaturmessung oder Temperaturregelungen erfolgen bisher bekannterweise entweder mittels Thermoelemente oder Temperaturmesswiderstände, die in direktem guten thermischen Kontakt mit dem Messobjekt stehen müssen. Die Thermospannung oder der Meßstrom wird durch elek­ trische Leitungen zum Auswertegerät übertragen, das von der Meßstelle relativ entfernt angeordnet sein kann.

Es sind auch berührungslose Temperaturmeßverfahren für Wärmestrahlung bekannt, die durch optische Meßgeräte, wie Pyrometer, erfaßt und ausgewertet werden. Hierbei muß die zu messende Oberfläche mit dem Pyrometer in Sichtkontakt sein, wodurch die Meßstreckenlänge begrenzt wird. Abgese­ hen davon, hängt die gemessene Leistung vom Emissionsfak­ tor der Oberfläche und von den Übertragungsverhältnissen der zwischen Oberfläche und Pyrometeroptik liegende Strecke ab. Bei den Wärmebehandlungsverfahren kann sich das Emissionsvermögen der Oberfläche ändern, oder es kann zwischen Oberfläche und Optik Absorption von Wärmestrah­ lung durch Gase, Staubteilchen oder Dämpfe stattfinden, die das Meßergebnis nachteilig beeinflussen. Wegen des aufwendigen optischen Strahlungsammelsystems und der er­ forderlichen umfangreichen Detektor- und Signalverarbei­ tung ist dieses Verfahren kostspielig und verlangt zur Durchführung geschultes Personal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmes­ sung zu schaffen, die sich durch hinreichende Genauigkeit und vergleichsweise geringen apparativen Aufwand aus­ zeichnet. Insbesondere sollte es ermöglicht werden, die Messung in beliebiger Entfernung von dem zu messenden Objekt durchzuführen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der Strahlung in einen Kanal aufgefan­ gen durch Reflexion im Kanal weitertransportiert und an­ schließend der Messung zugeführt wird. In den Patentan­ sprüchen 2 bis 4 werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben. Die Patentansprüche 5 bis 14 betreffen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung betrifft demzufolge ein kon­ taktloses Temperaturmeßsystem, das die vorteilhaften Ei­ genschaften der berührenden Temperaturmessung mittels Thermoelementen oder Temperaturmeßwiderständen mit denen der kontaktlosen Temperaturmessung durch Pyrometer verei­ nigt. Die Erfindung basiert auf die physikalische Er­ kenntnis, daß Strahlungen, wie sichtbares Licht, Wärme­ strahlen oder Mikrowellen, die von dem zu untersuchenden Objekt emittiert werden, durch einen in der Nähe ange­ brachten, vorzugsweise rohrförmigen Kanal geleitet wer­ den können. Eine Optik zum Auffangen der Strahlung ist dabei nicht notwendig. Die Strahlung wird an der Innen­ wandung des Kanals mehrmals reflektiert und dann auf ei­ nen, weiter entfernt angebrachten Detektor gerichtet.

Erfindungsgemäß wird der Kanal, der vorzugsweise einen Innendurchmesser zwischen 0,1 mm bis wenige Millimetern aufweist, in relativ geringer Entfernung zur Meßoberflä­ che, vorzusgweise in einem Abstand von 0,1 mm und einigen Zentimetern, angeordnet. Der Kanal besteht aus einem Ma­ terial mit hohem Reflexionsvermögen für die Strahlung. Als vorteilhaft haben sich dabei Rohre aus unterschied­ lichen Metallen und Legierungen, z.B. Aluminium, Stahl, Kupfer, Nickel, Messing, Wolfram und dgl. erwiesen. Solche Metalle und Legierungen weisen ein hohes Ref­ lexionsvermögen für Strahlung im sichtbaren und infraro­ ten Spektralbereich der Wärmestrahlung auf. Zum anderen wird bei quasi streifendem Strahlungseinfall das Refle­ xionsvermogen erhöht und dadurch eine fast 100 prozentige Transportleistung erreicht werden. Lediglich Ober­ flächenrauhigkeiten, die wesentlich größer sind als die Wellenlänge der Strahlung müssen beseitigt sein. Eine Re­ flexion läßt sich auch bei Kunststoff- oder Glasrohren erzielen, deren Innenwandung mit einer geeigneten Be­ schichtung versehen ist, wie sie bei Mikrowellenleitern oder Hohlleitern vorkommen.

Hat der Kanal aus Gründen einer praktischen Verlegung Biegungen, dann kann die Strahlung erfindungsgemäß durch einen Spiegel umgelenkt werden. Hierfür wird der an der Umlenkung gewinkelte Kanal an der Spitze der Umlenkung schräg abgeschnitten und die Schnittfläche wird durch den Spiegel abgedeckt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Um­ lenker ist hoch effizient und relativ leicht herstellbar. Würde man dagegen entlang von Kreissektoren gebogene Rohre verwenden, so würde ein relativ hoher Verlust von transmittierter Strahlung auftreten.

Für die Fertigung des erfindungsgemäßen Umlenkers sind konventionelle Kupferrohre oder Rohre aus ähnlichen hochreflektierenden Metallen mit hinreichend niedriger Oberflächenrauhigkeit einsetzbar. Es ist kein extra Po­ liervorgang notwendig. Die Rohre werden nur geschnitten oder gefräst und danach geklebt oder gelötet. Der eigent­ liche Spiegel ist das einzige Bauteil, das höhere Anforderungen erfüllen soll. Die Spiegeloberfläche muß sehr glatt sein und ein hohes Reflexionsvermögen für die umzulenkende Strahlung aufweisen. Für den sichtbaren und infraroten Spektralbereich können Glasspiegel eingesetzt werden, die mit einer entsprechenden Metallschicht, z. B. aus Silber oder Aluminium, bedampft worden sind. Auch Me­ tallspiegel sind geeignet. Solche spiegelähnliche Umlen­ ker für Strahlung ergeben z. B. für Wärmestrahlung von etwa 500°C im Falle von Rohren mit 15 mm innerem Durch­ messer eine Effizienz von über 80% oder im Falle von Roh­ ren mit 8 mm innerem Durchmesser eine Effizienz von über 90%.

Erfindungsgemäß lassen sich für die zu transportierende Strahlung Transmissionsrohre oder Systeme anordnen, die abwechselnd aus geraden Rohren und aus Spiegelumlenkern bestehen. Dadurch kann die Auswertungsanlage relativ weit weg von der Meßstelle angebracht werden.

Erfindungsgemäß wird die durch den Kanal transportierte Strahlung von einem Detektor erfaßt, der mit dem anderen Ende des Kanals verbunden ist. Hierzu können verschiedene Detektoren herangezogen werden. Dabei muß die spektrale Empfindlichkeit des Detektors an die von dem Meßobjekt ausgesandte Strahlung angepaßt werden. Die Wärme­ strahlung z. B. liegt nach dem Planck′schen Strahlungs­ gesetz im infraroten Spektralbereich, d. h. zwischen einigen Mikrometern und etwa 30 µm Wellenlänge, solange die Strahlertemperatur unter etwa 700°C liegt. Bei höhe­ ren Strahlertemperaturen wird ein Anteil kurzwelliger, sichtbarer Strahlung emittiert. Verwendbar sind z. B. thermische Detektoren, wie Bolometer, oder pyroelektri­ sche Detektoren, die im Spektralbereich zwischen etwa 0,5 µm, also sichtbares Licht, und 20 µm, also Infrarotstrah­ lung, eine einigermaßen von der Wellenlänge unabhängige Empfindlichkeit zeigen.

Auch Detektoren aus Bleiselenid, Bleisulfid, Germanium oder anderen Halbleitermaterialien sind geeignet. Wenn die Strahlertemperatur im Bereich zwischen etwa 200°C und 1000°C liegt, weisen Bleisulfid-Detektoren ein relativ hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Bei wesentlich hö­ heren Temperaturen, insbesondere über etwa 1300°C, sind auch noch Detektoren, die für kürzere Wellenlängen em­ pfindlich sind, vorteilhaft einzusetzen, z. B. Silizium- Detektoren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem De­ tektor geeignete optische Filter angebracht oder es wird eine Kombination der Signale von zwei Detektoren mit un­ terschiedlicher spektraler Empfindlichkeit bestimmt. Hierbei handelt es sich um Zweifarbenpyrometrie. Der Quotient der Strahlungsleistung in zumindest zwei ver­ schiedenen spektralen Kanälen ist dann direkt proporti­ onal zur Strahlertemperatur. Man empfängt dabei zwar geringere Strahlungsintensitäten, die erhaltene Informa­ tion ist jedoch in gewissen Grenzen unabhängig vom Emmi­ sionsvermögen des zu messenden Objekts sowie von Strahlungsverlusten durch Absorption und Reflexion in der Atmosphäre und an den Rohren, solange diese Verluste in den beiden spektralen Bereichen gleicherweise auftreten.

Die Auswertbarkeit der gemessenen Strahlungsleistung wird noch erhöht, wenn vor dem Detektor ein Strahlungsunter­ brecher angeordnet wird. Dann kann das Detektorsignal mittels eines Wechselspannungs-Voltmeters oder Lock-in- Verstärkers, das auf der Unterbrecherfrequenz einge­ stellt ist, empfangen werden. Bei genügend hohen Strah­ lungsintensitäten kann auch auf den Unterbrecher ver­ zichtet und direkt das Detektorsignal gemessen werden.

Bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind beispielsweise Heizungsanlagen oder die Durch­ führung von Spektralanalysen an Gasen, Untersuchungen von Verbrennungs- oder Wärmebehandlungsvorgängen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslo­ sen Messung der Temperatur einer Festkörperober­ fläche und

Fig. 2 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung einer Strahlungsumlenkung mit Spiegel.

In Fig. 1 ist ein zu messendes Objekt (1) dargestellt, dessen Oberfläche (2) beispielsweise Wärmestrahlung, d.h. Infrarotstrahlung, oder Lichtstrahlen in Richtung der Pfeile (3) emittiert. Von der Oberfläche (2) ist in Abstand ein Rohr (4) angeordnet, das die Strahlung aufnimmt und di­ rekt (5) sowie durch Reflexion (6) an der Innenwand (7) zum Detektor (8) transportiert.

Das Rohr (4) weist im Bereich des Detektors (8) weiterhin einen Unterbrecher (9) auf, wodurch die Strahlung, insbe­ sondere sichtbares und infrarotes Licht, moduliert werden kann. Das Detektorsignal kann dann unmittelbar durch ein auf die Unterbrecherfrequenz eingestelltes Wechsel­ spannungsvoltmeter (10) empfangen werden. Dazu ist auch ein üblicher Lock-in-Verstärker geeignet.

Der Abstand zwischen emittierender Oberfläche (2) und dem gegenüberliegenden offenen Ende des Rohres (4) sollte zwischen 0,1 mm und maximal 100 cm liegen, weil hierbei die beste Strahlungsaufnahme je nach Strahlungsart und zu messender Temperatur gewährleistet ist.

Auch der Innendurchmesser des Rohres hat Einfluß auf den Strahlungstransport. Je größer der Rohrinnendurchmesser ausgelegt ist, desto größer ist auch die vom Rohr zum De­ tektor transportierte Strahlung. Eine gut zu messende Strahlungsleistung ist mit Rohrinnendurchmessern im Be­ reich von 0,1 mm bis 50 mm gegeben.

Weist das die Strahlung transportierende Rohr (4) starke Biegungen oder Umlenkungen auf, dann kann auf dem Trans­ port Strahlungsleistung verlorengehen. Dies wird erfin­ dungsgemäß dadurch vermieden, daß das Rohr (4) im ge­ wünschten Winkel aneinander gefügt und die Ecke abge­ schnitten wird. An dieser Stelle wird dann ein die Strah­ lung reflektierender Spiegel (11) angebracht, wie es als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel bei einer 90 Grad Um­ lenkung in Fig. 2 dargestellt ist.

Claims (14)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien, die insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen, bei dem über die Messung der Strahlungsleistung die Temperatur bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ mindest ein Teil der Strahlung in einem Kanal aufgefangen, durch Reflexion im Kanal weitertransportiert und an­ schließend der Messung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung in zumindest zwei spektralen Bereichen bestimmt wird und aus ihrem Quotienten die Temperatur ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung durch Quanten- oder thermische Detektoren gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Empfindlichkeit des Detektors an die jeweilige Wellenlänge der vorliegenden Strahlung angepasst wird.

5. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien, die insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Detektor und einer Signalauswertung zur Ermittlung der Temperatur über die Messung der Strahlungsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (4) vorgesehen ist, in dem die Strahlung (3) durch Re­ flexion transportierbar ist, daß ein Ende des Kanals (4) berührungslos vor der Oberfläche (2) des Festkörpers oder der Flüssigkeit oder in dem gasförmigen Medium angeordnet ist und daß das andere Ende des Kanals (4) mit dem Detektor (8) sowie der Einheit (10) zur Signalauswertung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (4) rohrförmig ausgebildet ist und einen geringen inneren Durchmesser von 0,1 bis 50 mm, vorzugsweise 1 bis 10 mm, aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kanal (4) mit einem Ende in geringem Abstand von der Oberfläche (2) des Festkörpers oder der Flüssig­ keit angeordnet ist, vorzugsweise in einer Entfernung von 0,1 mm bis 100 cm, insbesondere 5 bis 20 cm, von der Oberfläche (2).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kanal (4) biegsam ist und/oder Biegungen und Umlenkungen aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spitze der Umlenkung abgetrennt ist und die Schnittfläche durch einen, vorzugsweise flachen Spiegel (11) abgedeckt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (4) aus einem metallischen Werkstoff mit hohem Reflexionsvermögen besteht oder aus Kunststoff hergestellt und auf den Innenwänden mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (4) Quantendetektoren oder thermische Detektoren, wie Pyrometer, Bolometer oder Thermistoren, vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (3) von mindestens zwei Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit erfaßbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kanal (4) und dem De­ tektor (8) optische Filter angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kanal (4) und dem Detektor (8) ein Strahlungsunterbrecher (9) angeordnet ist.