DE3737077A1 - Pyrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Pyrometer sind Geräte zur Messung der Oberflächentempera­ tur glühender Stoffe, z.B. glühender fester Gegenstände oder glühender Flüssigkeiten (Schmelzen). Ein Pyrometer besteht aus einer optischen Anordnung, z.B. mindestens einer Konvexlinse, welche die von dem glühenden Stoff ausgesandte Strahlung (Licht) auf einen Strahlungsdetektor fokussiert (abbildet). Je nach Art des Strahlungsdetektors unterscheidet man im wesentlichen zwei Arten von Pyrome­ tern, nämlich die Gesamtstrahlungspyrometer sowie die Teilstrahlungs- oder Spektralpyrometer.

Sollen nun sehr hohe Temperaturen gemessen werden, z.B. die Temperaturen von hellrot glühenden Eisen oder von einer glühenden Schmelze, so besteht eine prinzipielle Schwierigkeit darin, daß derart glühende Stoffe einen erheblichen Dampfdruck besitzen. Dieser führt in nachteili­ ger Weise zu einem Niederschlag des Stoffes und/oder dessen Reaktionsproduktes auf der äußeren Oberfläche der optischen Anordnung, so daß störende Absorbtionsverluste entstehen, welche zu einer falschen Temperaturmessung führen können. Zur Vermeidung dieses Nachteils müssen derartige Pyrometer möglichst kurzzeitig an das Meßobjekt herangeführt werden und es muß eine möglichst kurze Meß­ zeit gewählt werden. Alternativ dazu ist es naheliegend, die optische Anordnung durch ein Schutzfilter, z.B. eine Quarzglasscheibe, zu schützen. Dieses muß jedoch in nach­ teiliger Weise in regelmäßigen Zeitabständen gereinigt und/oder ausgewechselt werden, damit immer zuverlässige Temperaturmessungen möglich sind.

Ein weiterer Nachteil besteht im folgenden: Soll bei­ spielsweise die sehr hohe Temperatur (größer 1500°C) eines glühenden Graphitrohres gemessen werden, welches allseits von einer Wärmeisolationsschicht umgeben ist, so ist es erforderlich, diese Wärmeisolationsschicht zu unterbrechen (durchbohren), damit die ausgesandte Strahlung auf das Pyrometer gelangen kann. Eine derartige Unterbrechung der Wärmeisolationsschicht bewirkt in nachteiliger Weise eine störende Veränderung der (Wärme-)Geometrie des beispiel­ haft erwähnten Graphitrohres. Außerdem kann durch diese Unterbrechung in störender Weise Schutzgas austreten, das im allgemeinen bei derartig hohen Temperaturen benutzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Pyrometer anzugeben, das insbesondere zur Messung hoher Temperaturen (größer 1500°C) geeignet ist, dessen Strahlungseintrittsfläche im Dauerbetrieb sehr nahe an der Strahlungsquelle angeordnet werden kann und bei dem Reinigungs- und/oder Wartungsvorgänge weitgehend vermie­ den werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, die Strahlungseintrittsfläche des Lichtwel­ lenleiters im Dauerbetrieb sehr nahe, z.B. mit einem Abstand von ungefähr zwei Zentimetern an eine sehr heiße (ungefähr 2000°C) Strahlungsquelle heranzubringen ohne daß deren (Wärme-)Geometrie (Temperaturverteilung) gestört wird. Es ist möglich, den heißesten Bereich der Strahlungs­ quelle dauernd zu messen und mit Hilfe eines derartigen Meßsignales die Strahlungsquelle zu steuern und/oder zu regeln.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Strahlungsein­ trittsfläche des Lichtwellenleiters so klein ausführbar ist, daß mit Hilfe von mehreren Lichtwellenleitern im Dauerbetrieb das interessierende Temperaturprofil der Strahlungsquelle überwacht sowie steuer- und/oder regelbar ist.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß der Strahlungsdetek­ tor sowie eine daran angeschlossene Auswerteeinheit weit entfernt, z.B. einige hundert Meter, von der Strahlungs­ quelle angeordnet werden können. Ein vierter Vorteil besteht darin, daß der Lichtwellenleiter über eine lösbare optische Verbindung, z.B. einen optischen Stecker, an den Strahlungsdetektor ankoppelbar ist. Dadurch ist es z.B. in kostengünstiger Weise möglich, den Lichtwellenleiter auszuwechseln ohne daß optische Justiervorgänge an dem Strahlungsdetektor erforderlich sind.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß verschiedenartige Strahlungsdetektoren an den Lichtwellenleiter ankoppelbar sind, so daß die eingangs erwähnten unterschiedlichen Pyrometer herstellbar sind.

Die Erfindung beruht darauf, daß es möglich ist, optisch hochwertige Quarzglas-Lichtwellenleiter mit einem sehr kleinen Außendurchmesser, z.B. 125 µm, des sogenannten Mantels kostengünstig herzustellen. Derartige Lichtwellen­ leiter, z.B. Gradienten- und/oder Monomode-Lichtwellenlei­ ter, sind in der optischen Nachrichtentechnik geläufig. Der Quarzglas-Mantel eines derartigen Lichtwellenleiters ist im allgemeinen mit einer Schutzschicht, dem sogenann­ ten "Primär-Coating" umgeben. Diese Schutzschicht besteht im allgemeinen aus einem wenig temperaturbeständigen Kunststoff. Alternativ dazu ist es möglich, die Schutz­ schicht aus einem wesentlich temperaturbeständigen Metall herzustellen ("metal-coating"). Wird nun die Strahlungsein­ trittsfläche eines derartigen Lichtwellenleiters im wesent­ lichen konzentrisch von einer ringförmigen Düse, vorzugs­ weise einer Gasdüse umgeben, so ist es einerseits möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, vorzugsweise ein gasförmiges Kühlmittel, im Bereich der Strahlungsein­ trittsfläche so groß zu wählen, daß ein störender Nieder­ schlag des zu messenden glühenden Stoffes auf der Strah­ lungseintrittsfläche vermieden wird. Andererseits kann der Wert der Kühlmittelmenge/Zeiteinheit so klein gewählt werden, daß eine störende Beeinflussung des Temperaturpro­ fils der Strahlungsquelle vernachlässigbar ist. Eine derartige Anordnung ist weiterhin mit einer so geringen Wärmekapazität herstellbar, daß selbst bei geringen Kühl­ mittelmengen/Zeiteinheit ein Dauerbetrieb der Strahlungs­ eintrittsfläche in unmittelbarer Nähe, z.B. in einem Abstand von 10 bis 20 mm von einer sehr heißen (2000°C) Strahlungsquelle möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Quarzglas-Lichtwellenleiter 1, z.B. einen in der optischen Nachrichtentechnik derzeit üblichen Gradienten- oder Monomode-Lichtwellenleiter. Dabei hat der sogenannte Quarzglas-Mantel einen Außendurchmesser von ungefähr 125 µm. Der Mantel ist im Bereich des ersten Endes 2, der Strahlungseintrittsfläche, auf der Länge der zu erwartenden heißen Zone, z.B. auf einer Länge von ungefähr 20 cm, mit einer ungefähr 50 µm dicken Aluminiumschicht überzogen, die als Schutzschicht ("Primär-Coating") dient. Je nach den optischen Erfordernissen kann das erste Ende 2 eine ebene Fläche besitzen oder alternativ als Konvexlinse ausgebildet sein, die z.B. durch einen Schmelzvorgang oder durch Aufkleben einer (Mikro-)Plankonvexlinse entstanden ist. An den derart metallisierten Lichtwellenleiter ist ein kostengünstigerer Kunststoff-beschichteter Quarzglas- Lichtwellenleiter ankoppelbar, z.B. mit Hilfe einer lös­ baren optischen Steckverbindung oder einer Spleißverbin­ dung. Ein derartiger Lichtwellenleiter kann vorteilhafter­ weise sehr lang sein, z.B. 100 m, da diese Lichtwellenlei­ ter eine sehr geringe optische Dämpfung besitzen, z.B. weniger als 1dB/km. Das zweite Ende 4 des Lichtwellenlei­ ters 1 kann daher weit entfernt vom Meßort angeordnet werden, z.B. in einer sogenannten Meßwarte. Das zweite Ende 4 ist an einen Strahlungsdetektor 5, z.B. einer Fotodiode mit zugehöriger elektronischer Auswerteschal­ tung, angekoppelt. Der Bereich des ersten Endes 2 ist umgeben von einem Rohr 6, z.B. einem Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von ungefähr 5 mm, einer Wandstärke von ungefähr 1 mm sowie einer Länge von ungefähr 10 cm. Dieses Quarzglasrohr ist in der dargestellten Weise zu einer Düse 9 ausgezogen, deren Innendurchmesser z.B. 100 µm größer ist als der Außendurchmesser des metallisierten Lichtwellenleiters. Die Wandstärke der Düse 9 ist zumindest im Bereich des ersten Endes 2 sehr dünn gewählt und be­ trägt dort z.B. 50 µm. Außerdem überragt das Ende 10 der Düse 9 das erste Ende 2 um eine gewisse Länge a, z.B. um a =1 mm. Das der Düse 9 abgewandte Ende des Rohres 6 ist in der dargestellten Weise im wesentlichen gasdicht geschlos­ sen und besitzt eine Bohrung 11, in welcher der Lichtwellen­ leiter 1 im wesentlichen gasdicht befestigt ist, z.B. mit Hilfe von Kleber 12. Das Rohr 6 besitzt dort einen Anschluß­ stutzen 7, durch den ein Kühlmittel 8, vorzugsweise ein gasförmiges Kühlmittel, z.B. ein Inertgas, in das Rohr 6 geleitet werden kann. Da die Düse 9 sowie der darin be­ findliche Lichtwellenleiter eine geringe Wärmekapazität besitzen, ist bei der beschriebenen Anordnung lediglich eine geringe Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit erforderlich, um derart zu kühlen, daß eine Beschädigung der Düse und/oder des Lichtwellenleiters 1 vermieden wird. Eine derart geringe Kühlmittelmenge besitzt ebenfalls eine geringe Wärmekapazität, so daß eine Abkühlung der zu messenden Strahlungsquelle am Meßort vermieden wird. Andererseits ist die Kühlmittelmenge/Zeiteinheit ausrei­ chend, um den aus Richtung der Strahlung 3 zu erwartenden Niederschlag, z.B. Metallteilchen und/oder Metalldampf, fortzublasen. Dabei ist der Wert der Kühlmittelmenge/Zeit­ einheit von verschiedenen Parametern abhängig, z.B. Ab­ stand zwischen Düse 9 und Strahlungsquelle und/oder Tempe­ ratur sowie Dampfdruck des zu messenden Stoffes, und muß daher einmalig experimentell ermittelt werden. Da die beispielhaft beschriebene Düse 9 an ihrem Ende 10 ledig­ lich einen Außendurchmesser von ungefähr 425 µm besitzt, so ist die beschriebene Anordnung z.B. durch eine ungefähr 5 cm dicke Isolierschicht, z.B. Graphitwolle, durchführbar, ohne daß deren Isolationswert örtlich in merklicher Weise geändert wird.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern je nach Anwendungsfall abän­ derbar. Beispielsweise können Material und Länge des Rohres 6 in Abhängigkeit von der Dicke einer zu durch­ stoßenden Isolierschicht sowie der Temperatur der Strah­ lungsquelle gewählt werden. Weiterhin ist es z.B. möglich, das der Düse 9 abgewandte Ende des Rohres 6 mit Hilfe einer metallischen Abschlußkappe abzudichten, an welcher der Anschlußstutzen 7 angebracht ist.

Claims (10)

1. Pyrometer, zumindest bestehend aus einer optischen Anordnung, welche die von einer Strahlungsquelle ausge­ sandte Strahlung einem Strahlungsdetektor zuleitet, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die optische Anordnung einen Lichtwellenleiter (1) enthält, in dessen erstes Ende (2) die zu mes­ sende Strahlung (3) einkoppelbar ist und dessen zweites Ende (4) an den Strahlungsdetektor (5) ange­ koppelt ist,
• - daß der Lichtwellenleiter (1) zumindest im Bereich seines ersten Endes (2) von einem Rohr (6) umgeben ist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Lichtwellenleiters (1),
• - daß das Rohr (6) im Bereich des ersten Endes (2) offen ist und
• - daß durch das Rohr (6) ein Kühlmedium (8) leitbar ist.

2. Pyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) als Quarzglas-Lichtwellenleiter ausgebildet ist.

3. Pyrometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) aus einem lichtführenden Quarzglas-Kern, einen diesen umgebenden Quarzglas-Mantel sowie einer den Mantel umgebenden Metall­ schicht besteht.

4. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende (2) als opti­ sche Linse ausgebildet ist.

5. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an das erste Ende (2) eine optische Linse angekoppelt ist.

6. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiges Kühlmedium (8) verwendbar ist und daß das Rohr (6) im Bereich des ersten Endes (2) als Gasdüse ausgebildet ist.

7. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material sowie die Wand­ stärke des Rohres (6) derart gewählt sind, daß zumindest im Bereich des ersten Endes (2) eine möglichst geringe Wärmekapazität vorhanden ist.

8. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß das Rohr (6) zumindest im Bereich des ersten Endes (2) aus Quarzglas besteht.

9. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) mit Hilfe einer lösbaren optischen Verbindung an den Strahlungs­ detektor (5) gekoppelt ist.

10. Pyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtwellenleiter (1) und dem Strahlungsdetektor (5) ein optisches Verzwei­ gungsglied und/oder ein optischer Schalter vorhanden ist (sind) derart, daß meherere Lichtwellenleiter gleichzeitig oder zeitlich nacheinander an den Strahlungsdetektor (5) ankoppelbar sind.