DE3919920C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
für die Überwachung von
Schmelzen in einem Behälter mittels einer
Wärmekamera gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise
aus der DD-PS 2 40 438 bekannt.
Bei der Erfassung von Temperaturen kann man zwischen einer punktuellen
und einer flächigen Temperaturerfassung unterscheiden. Bei der punktuellen
Temperaturerfassung ist nur die Temperatur an einem bestimmten Punkt
interessant, während andere Bereiche ohne oder von geringerer Bedeutung
sind. Beispiele für punktuelle Temperaturmessungen sind die medizinische
Fieber-Messung oder die Raumtemperaturmessung für Heizungsregeleinrichtungen.
Bei der flächigen Temperaturmessung ist es wichtig, die
Temperaturen an mehreren Orten gleichzeitig festzustellen, um etwa den
Verlauf von Temperaturgrenzen zu ermitteln. Hierzu werden oft Infrarotkameras
verwendet, die ganze Flächen abbilden und jedem Punkt dieser
Flächen eine Temperatur zuordnen. Beispiele für die flächige Temperaturerfassung
sind in der Medizin die Früherkennung von bestimmten Krebsarten
oder in der Geologie die klimatische Untersuchung von Boden- und
Wasseroberflächen. Die Aufnahme eines Wärmebildes von Bord eines Hubschraubers
oder eines Flugzeugs verschafft schnell Angaben über die
Temperaturverteilung eines ausgedehnten Gebiets, das mit punktuellen
Meßverfahren nicht zu erfassen wäre.
Während bei der punktuellen Wärmeerfassung ein wärmeempfindliches
Element in der Regel mit dem zu messenden Medium in Kontakt ist,
handelt es sich bei der flächigen Temperaturerfassung fast ausschließlich
um eine berührungslose Temperaturmessung.
Es ist bereits bekannt, für punktuelle Temperaturmessungen Ausdehnungs
thermometer, Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder Halbleiter-
Thermometer einzusetzen und für die flächige Temperaturerfassung
Strahlungsthermometer oder Wärmebildkameras zu verwenden (L. Weichert,
Temperaturmessung in der Technik, 4. Auflage, 1987).
Bei der Herstellung hochwertiger Metalle oder Metallegierungen wird im
allgemeinen eine punktuelle Temperaturmessung der Schmelze vorgenommen,
um aufgrund der ermittelten Schmelztemperatur bestimmte Regelungsvorgänge
zu steuern. Dabei finden hauptsächlich Thermoelemente mit
Schutzrohren aus Keramik Anwendung, die mit der Schmelze in Kontakt
gebracht werden (DE-AS 27 16 884, US-PS 29 75 225, GB-PS′en 6 27 610,
10 95 812, 12 52 537, 13 20 820, 14 58 559, GB-A 21 12 570, 21 55 238,
US-PS 34 67 542, US-PS 43 96 792, UdSSR-Patente 5 73 726, 11 91 751).
Es ist indessen auch bekannt, Erstarrungsfronten und dergleichen in
Schmelzen mittels besonderer Thermoelement-Anordnungen zu erfassen
(DE-OS 17 98 013, GB-A 21 25 169, JP-OS 57-94 625, US-PS 32 04 460,
Fig. 1a in US-PS 34 36 520, Fig. 4 in US-PS 36 22 678, DE-OS 37 16 145).
Auch in diesen Fällen werden die Thermoelemente mit der Schmelze
selbst in Berührung gebracht.
Thermographen, mit denen ein Wärmebild von größeren Flächen erzeugt
werden kann, sind als solche ebenfalls bekannt (M. Gonzales, Les
applications industrielles de la thermographie infrarouge, CETIM-
Informations No. 96, Juni 1986, S. 34 bis 40).
Es ist darüber hinaus bekannt, derartige Thermographen in Gießereibetrieben
und dergleichen einzusetzen (A. Ward, D. R. Ferrell: Practical
Application of Infrared Thermographic Inspection Techniques, America
Foundrymen′s Society Transactions, 1980, S. 127 bis 136; T. W. Petrie,
J. T. Scoville: Infrared Camera and data-acquisition system in Doublet
III, Rev. Sci. Instrum. 56 (6), Juni 1985, S. 1156 bis 1159; H. Krause,
K. Schiebold, J. Strelow: Thermografie, eine moderne Methode der
Temperaturmessung, Gießereitechnik, 1986, S. 50 bis 55; H. Heine:
Temperature Measurement, FOUNDRY management & technology, 2, 1987,
S. 25 bis 31; A. E. Torok, P. C. Wilson in Technology for Premium Quality
Castings, Eds. E. Dunn, D. R. Durham, The Metallurgical Society, 1988,
"Recent developments in aluminium foundry technology", Seite 78). Aus
der letztgenannten Veröffentlichung ist es auch bekannt, während des Erstarrens
die Wärmegradienten zu erfassen, um Gießfehler zu erkennen.
Die bekannten Fernseh-Thermographiegeräte arbeiten in der Regel mit
einer optoelektrischen Abtastung der Objektoberfläche. Dabei erzeugt
die von den Objekten ausgehende Strahlung im nahen Infrarotbereich ein
Ladungsbild auf einem infrarotempfindlichen Detektor. Durch zeilenweises
Abtasten des Ladungsbildes wird ein Signal gewonnen, in dem die örtlichen
Unterschiede in der Strahlungsintensität als zeitliche Folge von Amplituden
schwankungen enthalten sind. Auf einem Monitorbildschirm erzeugt
dieses Videosignal eine der Strahlungsintensität äquivalente Leuchtdichte.
Es entsteht ein optisch wahrnehmbares Wärmebild. Thermografieanlagen
dieser Art arbeiten etwa in einem Temperaturbereich von 350 bis 1700°C,
der durch entsprechende Blenden- und Filterkombinationen in mehrere
Teilbereiche gliederbar ist. Die Temperaturauflösung beträgt ca. 2°K
(Gießereitechnik, a. a. O., S. 51).
In der Gießereitechnik werden Thermographen u. a. dazu verwendet,
Feuerfestausmauerungen in Hochöfen, Schmelz- und Trockenöfen ohne
Betriebsunterbrechung zu erkennen. Mittels Infrarotüberwachung werden
auch unplanmäßige Betriebsausfälle vermieden, indem bereits sich entwickelnde
Fehlstellen erkannt werden, bevor sie einen Produktionsstopp
bewirken. Qualitative Infrarotdaten sind außerdem geeignet, auf Energie
verluststellen hinzuweisen.
Ein besonderes Problem bei der Herstellung hochwertiger Metalle und
Metallegierungen ist die Erfassung der Position und der Fortschreitungs
geschwindigkeit der Kristallisationsfront, insbesondere bei gerichteter Er
starrung, d. h. des Übergangs vom flüssigen zum erstarrten Metall, denn
der zeitliche und räumliche Verlauf des Kristallisationsvorgangs wirkt sich
unmittelbar auf die Qualität der Metalle und Metallegierungen aus.
Eine Einrichtung zum meßtechnischen Erfassen des Temperaturverlaufs einer Metall- oder
Metallegierungsschmelze in einem Behälter, bei der die Temperatur mittels einer Anordnung
von Thermoelementen erfaßt wird, ist bekannt (US-A-32 04 460). Diese bekannte
Einrichtung enthält jedoch weder eine Heiz- noch eine Abkühlvorrichtung, so daß die Erstarrung
der Schmelze nicht beeinflußt werden kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Position und Fortschreitungsgeschwindigkeit
der Kristallisationsfront mittels eines Thermografiegeräts, das z. B. eine
Vidikon-Fernsehaufnahmeröhre, eine pyroelektrische Wärmebildröhre bzw. ein Pyrotron
oder Pysicon sein kann, zu erfassen und zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß
durch punktweises Abtasten einer Gießformoberfläche oder dergleichen
Temperaturunterschiede der Gießform erkannt und unter Zuhilfenahme
bekannter mathematischer Beziehungen die Erstarrungsfront eines Schmelzguts
und deren Fortschreiten ermittelt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1a eine Prinzipdarstellung einer Gießform mit einer Metallsäule,
die im oberen Bereich flüssig und im unteren Bereich erstarrt
ist;
Fig. 1b eine Kurvendarstellung, welche den Temperaturverlauf längs
der vertikalen Achse der Gießform zeigt;
Fig. 2 einen Vakuumofen mit angeschlossener Infrarot-Überwachungs
kamera;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des Regelschemas einschließlich der
Infrarotkamera, die den Phasenübergang der Schmelze über
wacht;
Fig. 4 eine Anordnung, mit welcher die Erstarrungszone eingestellt
werden kann.
In der Fig. 1a ist eine zylindrische Gießform 1 im Schnitt gezeigt, die auf
einer Abkühlplatte 2 angeordnet ist und in ihrem Innern ein Metall, eine
Metallegierung oder dergleichen enthält. Das Metall bzw. die Metallegierung
weist hierbei drei Zonen auf: die Zone 3, in welcher das von
oben kommende Metall noch flüssig ist, die Zone 4, in welcher das durch
die Abkühlplatte 2 abgekühlte Metall bereits erstarrt ist, und die Zone 5,
in welcher das flüssige Metall erstarrt. Die Zone 5 ist ideal als waagerechte
Linie dargestellt und mit der Erstarrungsfront des Metalls identisch.
In der Fig. 1a ist gewissermaßen eine Momentaufnahme des Erstarrungs
prozesses eines Metalls dargestellt, bei der sich die Erstarrungsfront 5
gerade etwa in der Mitte befindet. Wird gemäß der Beispielszeichnung 1a
von oben her nicht weiter aufgeheizt und über die Abkühlplatte gekühlt,
so wandert die Erstarrungsfront immer weiter nach oben, und zwar mit
einer Geschwindigkeit VE, die durch einen nach oben gerichteten Pfeil 6
angedeutet ist. Die Geschwindigkeit VE ist hierbei ein Vektor, der die
Richtung der z-Achse 7 hat.
Sind alle Zonen 3, 4, 5 erstarrt, so kann die Abkühlplatte 2 weggenommen
und der metallische Körper, der von der Gießform 1 eingeschlossen ist,
aus der Gießform entnommen werden. Dicht unterhalb der Erstarrungsfront
5 und auf der rechten Seite der Gießform 1 ist ein erstes Thermo
element 8 vorgesehen, das mit seinem einen Ende in die bereits erstarrte
Zone 4 eingeführt ist, während sich sein anderes Ende außerhalb der
Gießform 1 befindet. Die Temperatur am inneren Ende des Thermo
elements 8 ist dabei mit T₈ bezeichnet. Auf entsprechende Weise wird
die innere Temperatur T₉ eines zweiten Thermoelements 9 bezeichnet,
das in die flüssige Zone 3 des Metalls hineinragt. Die z-Koordinaten der
beiden Thermoelemente 8, 9 sind mit z₈ bzw. z₉ angegeben.
Diese beiden punktförmigen Temperaturen T₈, T₉ sagen nur wenig über
die Funktion T=f(z) aus, d. h. über den Temperaturverlauf entlang der
z-Achse. Dieser Temperaturverlauf ist indessen bei Legierungen von
Interesse, und zwar insbesondere der Verlauf der Erstarrungsfront 5 in
Abhängigkeit von der Zeit.
In der Fig. 1b ist die Funktion T=f(z) zu einem bestimmten Zeitpunkt,
z. B. zur Zeit t₁, dargestellt. Die Kurve 10 zeigt somit den räumlichen
Temperaturverlauf in der Gießform 1 zu der Zeit t₁, welche auch für die
Momentaufnahme der Fig. 1a gilt. Anders ausgedrückt stellt die Kurve
10 die Funktion T=f(z)t=t₁ dar. Man erkennt hierbei, daß an der
Phasengrenze 5 der Gradient dieser Kurve 10 besonders ausgeprägt ist.
Kombiniert mit der Erstarrungstemperatur Tsol läßt sich somit die
Erstarrungsfront ermitteln. Mittels der beiden Thermoelemente 8 und 9
ließe sich die Kurve 10 nicht ermitteln, da hierzu eine sehr große Zahl
von Thermoelementen erforderlich wäre. Mit den beiden Thermoelementen
8 und 9 ist es allenfalls möglich, einen Temperaturgradienten nach der
Formel
zu errechnen, was aber nur einen groben Näherungswert darstellt. Erst
bei unendlich vielen Thermoelementen, die parallel zur z-Achse übereinander
angeordnet sind, ergibt sich die Temperatursteigung zu
Die Abkühlungsgeschwindigkeit des gesamten in der Gießform 1 befindlichen
Metallzylinders ist um so größer, je schneller die Erstarrungsfront 5
nach oben wandert. Es gilt also
= K · VE
wobei VE die Erstarrungsfront ist (vgl. F. Hediger, Rechnerische Simulation
und Meßwerterfassung zur Prozeßoptimierung der gerichteten und ein
kristallin-gerichteten Erfassung von Superlegierungen, Fortschr.-Ber. VDI-
Reihe 2 Nr. 158, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1988). Der Proportionalitätsfaktor
K entspricht hierbei grad T, so daß für die Abkühlungsgeschwindigkeit
gilt
= grad T · VE
Die Abkühlgeschwindigkeit vor der Erstarrungsfront ist geometrisch zu
interpretieren als die Steigung der Tangente an die Zeit-Temperaturkurve
T(t) im Zeitpunkt (t₂, T₁). Die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit VE in
z-Richtung wird näherungsweise berechnet nach
wobei zi, zi+1 ofenfeste Koordinaten zweier übereinanderliegender Meß
stellen und VA der Istwert der Absenkgeschwindigkeit bedeuten. Die in
der Fig. 1b gezeigte Kurve stellt die Verhältnisse für den Zeitpunkt t₁
dar. Es ist selbstverständlich möglich, für jeden anderen Zeitpunkt einen
Ort-Temperatur-Polygonzug im ofenfesten System z zu zeichnen.
Die Steigung der einzelnen Polygonzüge bei Liquidustemperatur ist dann
eine Näherung für den Temperaturgradienten vor der Erstarrungsfront.
Das Verhalten der Phasengrenze 5 ist vom jeweiligen Material abhängig,
das sich in der Gießform 1 befindet. Reine Stoffe sowie eutektische
Legierungen und Mischungen ändern ihren Aggregatzustand oder ihre Modifikations
form bei bestimmten, für jede Stoffart charakteristischen Um
wandlungstemperaturen; dabei wird sogenannte latente Wärme oder "Um
wandlungsenthalpie" freigesetzt oder gespeichert. Nichteutektische Legierungen
und Mischungen zeigen diese Phasenänderungseffekte innerhalb eines
Temperaturintervalls und sind deshalb mathematisch schwieriger zu be
handeln. Insgesamt wird die mathematische Beschreibung von Erstarrungsvorgängen
auch durch das Wandern der Bereichsgrenzen, vor allem aber
durch eine aus der lokalen Enthalpieumsetzung resultierende nichtlineare
Phasengrenzbedingung sehr erschwert (vgl. U. Grigull, H. Sandner: Wärmeleitung,
Springer Verlag, 1986, S. 124 bis 125).
In der Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Vakuumofens 20 für
die gerichtete Erstarrung einer Schmelze 21 dargestellt. Dieser Vakuumofen
20 weist beispielsweise drei zylindermantelförmige Graphitheizelemente
22, 23, 24 auf, die durch eine Isolation 25 bis 30 vor Wärmeverlusten
geschützt sind. Zwischen den Heizelementen 22 bis 24 sind aus elektrischen
Isolationsgründen Lücken 31, 32 vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse
der Heizelemente 22 bis 24 sind in der Fig. 2 nicht dargestellt. Die
Heizelemente 22 bis 24 sind erforderlich, um die Schmelze 21 flüssig zu
halten und um durch einen möglichst eindimensionalen Wärmefluß eine
gerichtete Erstarrung der Schmelze 21 zu bewirken. Damit der für die
Erstarrung der Schmelze 21 erforderliche Temperaturgradient definiert
erzeugt wird, ist eine Kühlstrecke 33 (Baffle) neben und unterhalb des
Isolationsbereichs 29, 30 vorgesehen. Relativ zu dieser Kühlstrecke 33 kann
sich ein Kühlkopf 34 vertikal frei bewegen, der von einem Hitzeschild 35
umgeben ist. Der Kühlkopf 34 weist eine zuführende Wasserleitung 36 und
eine abführende Wasserleitung 37 auf, durch welche das Kühlmittel Wasser
strömt. Ein weiteres zuführendes Wasserkühlrohr 38 ist innerhalb der Kühl
strecke 33 und unterhalb des Isolationsbereichs 29 vorgesehen. Das entsprechende
abführende Wasserkühlrohr ist in der Fig. 2 nicht zu erkennen,
da es vom Wasserkühlrohr 38 verdeckt ist. Die Kühlung mit Hilfe des
Wasserkühlrohrs 38 ist erforderlich, damit dann, wenn eine Formschale 39
abgesenkt wird, in der sich das Schmelzgut 21 befindet, der Temperatur
gradient durch Abstrahlen der Wärme von der Formschale 39 definiert
eingestellt wird.
Die Schmelze 21 wird mittels eines Eingießtrichters 40, der ein relativ
langes Rohr 41 mit einer kleinen Öffnung 42 aufweist, in die Gießform
bzw. Formschale 39 eingelassen, die aus einem oberen trichterförmigen
Gebilde 43 und einem unteren Rohr 44 besteht, das oberhalb des Kühlkopfs
34 angeordnet ist. Zwischen dem trichterförmigen Gebilde 43 und
dem Rohr 44 ist ein Keramikfilter 45 angeordnet, das nach dem Eingießen
der Schmelze 21 noch mit dieser Schmelze 21 bedeckt ist. Statt
eines Rohrs 44 kann auch eine Gießform vorgesehen werden, die beliebige
andere Geometrien aufweist, beispielsweise die Geometrie einer
Turbinenschaufel. Die Gießform oder Formschale 39 besteht vorzugsweise
aus einer Keramikmasse, die nach dem Gießvorgang zerstört wird.
Die Schmelze 21 selbst ist in der Fig. 2 in drei Bereiche unterteilt:
in eine Zone 46 mit flüssigem Metall, eine Zone 47 mit erstarrtem
Metall und eine Zone 48, in der das Metall gerade erstarrt. Mit Hilfe
eines an sich bekannten elektronenoptischen Bildwandlers 49, der sich
in einer mit einem Schutzglas 50 abgeschlossenen Wärmeschutzhülle
51 befindet, die in den Vakuumofen hineinragt, wird die der
Erstarrungszone 48 benachbarte Gießformoberfläche sowie der darunter
und darüber liegende Bereich erfaßt. Eine Infrarot-Linsenoptik 52
bildet den gesamten erfaßten Bereich als Infrarotbild 53 auf einer Foto
kathode 54 ab. Von dieser Fotokathode 54 werden je nach der Intensität
der auffallenden Strahlung mehr oder weniger freie Elektronen ausgesendet.
Bei Verwendung hochempfindlicher Multialkali-Kathoden kann der
Empfindlichkeitsbereich bis etwa 1,3 µm ausgedehnt werden. Die von der
Fotokathode 54 kommenden freien Elektronen werden durch das elektrische
Feld einer Elektronenoptik 56 so beschleunigt, daß ihre Energie beim Auf
treffen auf einen Leuchtschirm 57 ausreicht, ein sichtbares Bild 58 zu
erzeugen. Dieses Bild 58 kann nun mit einem Okular betrachtet oder
elektronisch ausgewertet werden. Es versteht sich, daß der elektronenoptische
Bildwandler nur als Beispiel für eine Einrichtung gewählt ist,
welche den Bereich um die Erstarrungszone als Wärmebild wiedergibt.
Es könnten auch ein Evaporgraf, eine spezielle Vidikon-Fernsehaufnahmeröhre,
eine pyroelektrische Wärmebildröhre, ein optisch-mechanisches
Abtastsystem (vgl. DE-OS 29 23 240) oder eine andere Infrarotkamera
verwendet werden.
In der Fig. 3 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, mit der
es möglich ist, unter Verwendung einer Thermo-Kamera eine Regelung
der Schmelze in einem Vakuumofen oder dergleichen vorzunehmen. Diese
Anordnung weist eine Einrichtung 60 auf, mit der es möglich ist, den
Temperaturgradienten entlang der z-Achse (Fig. 1) zu ermitteln. Bei der
Ermittlung eines Gradienten ist es nicht erforderlich, die absoluten Werte
zu kennen; es genügt, wenn die Differenzwerte ermittelt werden. Differenz
wertbildungen bei Bildern, die aus Punkten oder Pixeln aufgebaut sind,
sind beispielsweise auf dem Gebiet der Autofokuskameras bekannt (vgl.
US-PS 42 18 119, Fig. 2 bis 5). Dort werden die Helligkeitsunterschiede
benachbarter Punkte ermittelt, um den Kontrast zu errechnen, der aussagt,
ob ein Bild scharf (=großer Kontrast) oder unscharf (=kleiner Kontrast)
eingestellt ist. Diese aus der Autofokus-Technik bekannte Methode kann
auch im vorliegenden Fall zur Anwendung kommen, um den Temperaturgradienten
zu ermitteln. Darüber hinaus ist es sogar möglich, mit Hilfe einer
Thermokamera auch Aussagen über die absoluten Temperaturen zu machen.
Infrarotkameras verfügen allerdings im Gegensatz zu üblichen Strahlungs-
Thermometern meist über keine unmittelbar Anzeige einer Spannung,
die der Temperatur eines schwarzen Strahlers als Bezugswert entspricht.
Mit Hilfe eines Einstellreglers für Isothermen, der mit einer genauen
Skala versehen ist, können jedoch Differenzen der Ausgangsspannungen Sm
von zwei verschiedenen Meßpunkten bestimmt werden. Für Strahlungsmessungen
mit Pyrometern gilt allgemein die Grundgleichung (vgl. U.
Mester: Temperaturstrahlung und Strahlungsthermometer, Feinwerktechnik
+Micronic, 76. Jahrg., 1972, Heft 1, S. 15 bis 20):
Sm = Sw(1-ε) Su
wobei Sm die Ausgangsspannung eines Pyrometers bedeutet, das auf
einen schwarzen Strahler (ε = 1) mit der Temperatur Tm gerichtet ist.
Tm ist die von dem Pyrometer tatsächlich angezeigte Temperatur bei
einer Emissionsgradeinstellung auf ε = 1. Sw bedeutet die Ausgangsspannung
eines Pyrometers, das auf einen schwarzen Strahler (ε = 1) mit der
Temperatur Tw gerichtet ist. Tw ist die wahre Temperatur des Meß
objekts. Su bedeutet die Ausgangsspannung eines Pyrometers, das auf die
durch Reflexion an der Oberfläche des Meßobjekts mitgemessene Umgebung,
in der Regel die Wand des Meßraums, gerichtet ist. Tu ist die
gemessene Temperatur der Umgebung, also der Meßraumwand, während
ε den Emissionsgrad des Meßobjekts bezeichnet.
Wird also bei einer Infrarot-Kamera eine Referenzstelle bekannter
Temperatur und bekannten Emissionsgrads mitgemessen, ist es mittels
des Einstellreglers möglich, die absolute Temperatur eines Meßobjekts
genau zu bestimmen. Stellt man die Isothermen der Kamera einmal auf
das Meßobjekt mit der wahren Temperatur Tw1 und dem Emissionsgrad
ε₁ und anschließend auf die Referenzstelle mit der wahren Temperatur
Tw2 mit dem Emissionsgrad ε₂ ein, so erhält man eine Spannungsdifferenz
ΔSm = Sm1-Sm2 = ε₁Sw1+(1-ε₁)Su-[ε₂Sw2+(1-ε₂)Su]
woraus folgt
ΔSm = ε₁[Sw1-Su]-ε₂[Sw2-Su]
In der Praxis ist es sehr oft nur erforderlich, die Temperaturverteilung
an der Oberfläche eines bestimmten Objekts zu bestimmen. Ist nun die
Temperatur an einer bestimmten Stelle des Objekts bekannt, so läßt sich
diese Stelle als Referenz benützen. Da der Emissionsgrad der Oberfläche
des Meßobjekts in vielen Fällen als konstant angesehen werden kann,
vereinfacht sich die obige Gleichung für ε₁ = ε₂ = ε zu
ΔSm = ε[Sw1-Sw2]
Die Temperaturbestimmung wird dadurch unabhängig von der Umgebungs
temperatur Tu. Bei bekanntem Emissionsgrad kann die Temperatur
differenz ΔTw = Tw1-Tw2 mit Hilfe einer Eichkurve oder eines für
die IR-Kamera erstellten Nomogramms schnell und bequem aus der gemessenen
Differenz der Isothermenwerte ΔSm ermittelt werden.
Die Anordnung gemäß Fig. 3 weist neben der bereits erwähnten Einrichtung
60 für die Ermittlung des Temperaturgradienten auch noch eine Einrichtung
106 auf, welche aufgrund von Signalen aus der Thermokamera 49 die
tatsächliche Temperatur Tist an einem Punkt ermittelt, sowie eine weitere
Einrichtung 64, welche aus Informationen aus der Thermo-Kamera 49 die
tatsächliche Erstarrungsfront VEist ermittelt. Mit Hilfe eines grad T-
Reglers 108, der mit der Differenz von Soll- und Istwert von grad T be
aufschlagt wird, werden über einen Schalter 107 Heizungswicklungen 22,
23, 24 über Heizverhältnisregler 63 mit der Soll-Temperatur Tsoll1 bzw.
Tsoll2 bzw. Tsoll3 beaufschlagt. Mit dem Schalter 107 kann von dem
grad T-Regler 108 auf einen T-Regler 110 umgeschaltet werden, der mit
der Differenz zwischen Tsoll und Tist beaufschlagt wird. Die Differenz
aus VEist und VEsoll wird auf einen VE-Regler 109 gegeben, der ein
Ausgangssignal abgibt, das mit VEist verglichen wird und für die An
steuerung eines Motor-Reglers 67 dient, der den Motor 104 ansteuert.
Die Größe VEist wird mittels eines Tachodynams 105 ermittelt, der mit
dem Motor 104 verbunden ist, der die verschiebbare Stange 59 bewegt,
auf der sich die Kühlplatte 68 befindet.
Mit der Anordnung gemäß Fig. 3 ist es somit möglich, unter Verwendung
der Thermo-Kamera 49 die vertikal fortschreitende Erstarrungszone 48
durch entsprechendes Abziehen der Kühlplatte 68 mittels des Motors 104
quasi stationär oder um die Kristallisation zu beeinflussen im Bereich
der Kühlstrecke 33 vor- oder nacheilend einzustellen und den für die
Erstarrungszone typischen Temperaturgradienten bzw. die Temperatur
- durch Umschalten mittels des Schalters 107 - an dieser Stelle über
die Heizeinrichtungen 101 bis 103 zu beeinflussen.
Die Thermo-Kamera 49 beobachtet die sich an der Gießform 39 abbildenden
Temperaturverhältnisse der in ihr befindlichen Schmelze. Durch entsprechende
Einstellung der Bildfläche der Kamera können ausreichend viele
Temperaturpunkte in vertikaler Richtung ermittelt und daraus durch
Differenzbildung über den Meßpunktabständen die entsprechenden Temperatur
gradienten gebildet werden, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1b
bereits beschrieben wurde.
Mittels der Erstarrungstemperatur und dem Temperaturgradienten kann
die Übergangszone fest/flüssig ermittelt werden sowie auch deren zeitliches
Fortschreiten, was der Erstarrungsgeschwindigkeit VE entspricht.
Der Istwert VEist, der durch die Einrichtung 64 aus den Informationen
der Thermo-Kamera 49 ermittelt wird, wird mit dem Sollwert der Er
starrungsgeschwindigkeit VEsoll verglichen und dem Regler 109 zugeführt,
dessen Ausgang mit dem die Abzugsgeschwindigkeit VA einstellenden
Motorregler 67 verbunden ist. Die Abzugsgeschwindigkeit VA wird so
geregelt, daß sich die Erstarrungszone 48 möglichst an einer gewünschten
Stelle der Kühlstrecke 33 befindet.
Aufgrund der Möglichkeit der Thermo-Kamera 49, gleichzeitig viele Punkte
innerhalb ihres Blickfelds zu messen, kann auch ein Bezug der Temperaturpunkte
zur Position der Erstarrungszone abgeleitet werden. Mittels des von
der Einrichtung 60 gelieferten Istwerts des Temperaturgradienten oder des
von der Einrichtung 106 gelieferten Istwerts der Temperatur selbst kann
über die Heizregler 101 bis 103 der Gradient beeinflußt werden.
Eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 3 ist in der Fig. 4 gezeigt. Mit
dieser Anordnung ist es möglich, erst bei Überschreiten einer bestimmten
Erstarrungsgeschwindigkeit die Heizung nachzustellen. Hierfür ist ein VE-
Ablöse-Regler 120 vorgesehen, auf dessen Eingang die Differenz von VEmax
und VEist gegeben wird und der über einen Schalter 121 grad Tsoll bzw.
über einen Schalter 122 Tsoll liefert. An die Thermo-Kamera 49 ist zu
sätzlich eine Einrichtung 111 für die Ermittlung der Ortskoordinate der
Erstarrungsfront angeschlossen.
Ein Absenken der Stange 59 und der Kühlplatte 68 und damit der Gießform
39 bewirkt, daß die Schmelze von der Heizeinrichtung 22, 23, 24
wegbewegt wird, während ein Anheben von Stange 59 und Kühlplatte 68
die Schmelze in die Nähe der Heizeinrichtung 22, 23, 24 bringt. Die Abkühlung
der gesamten Schmelze in der Gießform 39 ist um so größer, je
größer der Wärmegradient und je größer die Absenkgeschwindigkeit sind.
Bei dem Einsatz optischer Methoden zur Erfassung der Temperaturen eines
Gießstücks ergeben sich im wesentlichen zwei Probleme: das Problem der
Temperaturdifferenzen über die Dicke der Formschale 39 und das Problem
des Streulichts, das von den Heizelementen 22 bis 24 direkt auf die Außenseite
der Formschale 39 gelangt.
Das erstgenannte Problem entsteht dadurch, daß zwischen der Innen- und
der Außenseite der Formschale 39 Temperaturdifferenzen auftreten, wodurch
die von der Thermokamera 49 erfaßte Außentemperatur nicht exakt
die Innentemperatur widerspiegelt. Selbst bei dünnen Schalen treten
Temperaturdifferenzen von 40° bis 70°C auf, d. h. eine unmittelbare Zuordnung
zwischen Oberflächentemperatur und Temperatur des Gußstücks
ist praktisch nicht möglich.
Dieses Problem kann jedoch dann umgangen werden, wenn aus der gemessenen
Oberflächentemperatur mit Hilfe der lokalen Formschalendicke
und mittels des Emissionskoeffizienten auf die Temperatur des Gußstücks
zurückgerechnet wird. Da Dickenvariationen der Formschale aufgrund von
Fertigungstoleranzen und unkontrollierten Änderungen des Emissions
koeffizienten auf diese Weise nicht eleminierbar sind, kommt es darauf an,
hochgenau hergestellte Formschalen zu verwenden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, durch ein Thermoelement oder dergleichen an einem Punkt
die Ist-Temperatur der Schmelze zu erfassen und die von der Thermo-
Kamera festgestellte Temperatur durch diesen Ist-Wert zu führen, d. h.
in der Regel um einen konstanten Betrag zu erhöhen. Wichtig ist dabei,
daß die Temperaturen auf der Außenseite der Formschale ein genaues
Abbild der Temperaturen auf der Innenseite darstellen, die nur durch
einen konstanten Maßstabsfaktor verschoben sind. Eine Verzerrung der
Abbildung in vertikaler Richtung, die zu Meßfehlern führen kann, läßt sich
weitgehend dadurch vermeiden, daß die Formschale 39 eine gute Wärme
leitfähigkeit besitzt oder wenigstens in vertikaler Richtung sandwichartig
aufgebaut ist, wobei sich eine gut wärmeleitende Schicht an eine schlecht
wärmeleitende Schicht anschließt. Als Formschalenmaterial kommen
hochhitzebeständige Metalle oder Metallegierungen in Frage, die innen
durch eine Keramikschicht ausgekleidet sein können, damit es zu keiner
chemischen Reaktion zwischen dem Formschalenmaterial und der Schmelze
kommt.
Das Streulichtproblem entsteht dadurch, daß die durch Strahlung indizierte
Temperatur der Außenseite der Formschale 39 aus zwei Komponenten
besteht: der Komponente, die aufgrund des Durchstrahlens der Schmelze
bis zur Außenwand der Formschale 39 entsteht, und der Komponente, die
aufgrund der direkten Aufstrahlung der Heizelemente 22 bis 24 auf die
Außenwand der Formschale 39 bewirkt wird. Die Thermokamera 49 wird
aufgrund dieser direkten Einstrahlung eine höhere Temperatur auf der
Außenseite der Formschale 39 feststellen, als der Innentemperatur der
Schmelze entspricht. Um diesen Fehler zu kompensieren, ist es möglich,
durch entsprechende optische Filter vor dem Objektiv der Thermokamera
49 den Einfluß der direkten Einstrahlung der Heizelemente 22 bis 24 zu
eliminieren. Die Strahlungskurve S=f(λ) der Heizelemente 22 bis 24
unterscheidet sich von der Strahlungskurve S′=f(λ), die durch die
Schmelze hervorgerufen wird, so daß mittels eines Filters S=f(λ) weg
gefiltert werden kann und nur noch ein Strahlungsbereich verbleibt, der von
der Schmelze herrührt.
Die Oberflächentemperatur eines strahlenden Körpers kann bekanntlich
einerseits aus der absoluten Intensität der abgegebenen Strahlung und
andererseits dem Verhältnis der Intensitäten aus zwei oder mehr Wellenlängen
bestimmt werden. Dieser Umstand kann bei der Erfindung dahingehend
genutzt werden, daß zwei oder mehr Wellenlängen, die für die
Strahlung der Schmelze und nicht für die Strahlung der Heizelemente
charakteristisch sind, etwa mit Hilfe von Interferenzfiltern ausgeblendet
und für die Temperaturführung herangezogen werden. Ferner ist es möglich,
von verschiedenen Tiegel-Schmelze-Kombinationen Eichkurven mit der
Thermokamera aufzunehmen und in einem Computer oder dergleichen abzuspeichern.
Diese Eichkurven werden, nachdem die Schmelze auf ihre höchste
Temperatur gebracht worden ist, bei abgeschalteter Heizung aufgenommen,
so daß kein Streulicht auftritt.
Claims (20)
1. Einrichtung für die Überwachung von Schmelzen in einem Behälter mittels einer
Wärme-Kamera, die einen bestimmten Bereich des Behälters wärmemäßig auf einer
Fläche abbildet, gekennzeichnet durch
- a) einen eine Metall- oder Metallegierungsschmelze enthaltenden Behälter (39), der eine Heizeinrichtung (22 bis 24) und eine Abkühleinrichtung (68) aufweist;
- b) eine erste Einrichtung (60, 106), die aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, die Temperatur oder den Wärmegradienten entlang wenigstens einer Koordinaten des Behälters (39) ermittelt;
- c) eine zweite Einrichtung (64), welche aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze entlang wenigstens einer Koordinaten des Behälters (39) ermittelt;
- d) eine dritte Einrichtung (101 bis 103), welche in Abhängigkeit vom ermittelten Wärmegradienten oder der Temperatur und von der ermittelten Erstarrungsgeschwindigkeit sowie in Abhängigkeit eines vorgegebenen Wärmegradienten oder einer vorgegebenen Temperatur und einer vorgegebenen Erstarrungsgeschwindigkeit die Heizeinrichtung (22 bis 24) bzw. die Abkühleinrichtung (68) derart ansteuert, daß sich die Phasengrenze (Erstarrungsfront) der Metall- oder Metallegierungsschmelze in einer vorgegebenen Höhe befindet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung
(106) aufgrund der Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, innerhalb des Blickfelds
der Wärme-Kamera (49) die Temperatur in jedem beliebigen Punkt des Behälters (39) ermittelt
und diese dem Meßort zuordnet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Einrichtung
(109) vorgesehen ist, die aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, die
Positionen bestimmter Stellen des Meßfelds erfaßt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmegradient durch
zeilenweises Abtasten des auf der Fläche (54) abgebildeten Bildes und durch Vergleich
aufeinanderfolgender Zeilen ermittelt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmegradient durch
punktweises Abtasten des auf der Fläche (54) abgebildeten Bildes und durch Vergleich
aufeinanderfolgender Punkte ermittelt wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrungsgeschwindigkeit
durch wiederholtes Erfassen der Position der Phasengrenze (48) entlang wenigstens
einer Koordinate und durch die Bildung des Quotienten aus wenigstens zwei Positionen
und der Zeit, die vom Übergang von der einen in die andere Position verging, ermittelt
wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heiztemperatur-Regler
(62) vorgesehen ist, der eine Heizungstemperatur in Abhängigkeit von der Differenz
zwischen Soll-Temperaturgradient und Ist-Temperaturgradient einstellt.
8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizverhältnisregler
(63) vorgesehen ist, der die von dem Heiztemperatur-Regler (62) eingestellte Temperatur
auf wenigstens zwei Heizungswicklungen (22, 23) aufteilt.
9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (66) für
die Einstellung der Absenkgeschwindigkeit der Abkühleinrichtung (68) vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (50,
51) für die Abschirmung der Wärme-Kamera (49) gegen störende Wärme- und Infrarotlichtquellen
vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung für die
Bildung des Produkts von Erstarrungsgeschwindigkeit und Temperaturgradient vorgesehen
ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme-Kamera (49)
oberhalb der Abkühleinrichtung (33, 68) angeordnet ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikal verschiebbare
Stange (59) mit einer Kühlplatte (68) vorgesehen ist, auf der sich eine Gießform (39)
befindet, die an einer Heizeinrichtung (22, 23, 24) vorbeibewegt werden kann, die aufgrund
von Daten aus der Wärme-Kamera (49) mehr oder weniger aufgeheizt wird.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der vertikale Antrieb der Stange (59) und die Aufheizung durch die
Heizeinrichtung (22, 23, 24) so erfolgen, daß ein vorgegebenes Erstarrungsverhältnis einer
Metall- oder Metallegierungsschmelze erzielt wird.
15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermokamera (49)
ein optisches Filter enthält, das nur diejenige Strahlung durchläßt, die von dem in der
Formschale (39) befindlichen Material ausgeht, während es diejenige Strahlung ausblendet,
die von der Heizeinrichtung (22 bis 24) oder anderen Störstrahlungsquellen herrührt.
16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschale (39) aus
einem gut wärmeleitenden Material besteht und daß die Innenwand der Formschale mit
einem keramischen Material überzogen ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Thermokamera
(49) erfaßten Temperaturen der Außenseite der Formschale (39) mit Hilfe der bekannten
Dicke und der bekannten Strahlungseigenschaften der Formschale (39) auf die tatsächlichen
Temperaturen des in der Formschale (39) befindlichen Materials umgerechnet
werden.
18. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschale (39) in
vertikaler Richtung sandwichartig aufgebaut ist, wobei eine gut wärmeleitende Schicht auf
eine schlecht wärmeleitende Schicht folgt.
19. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Temperatur
der Schmelze an einem Punkt mittels eines Thermoelements oder dergleichen erfaßt
wird und diese erfaßte Temperatur als Führungsgröße verwendet wird.
20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei erhitzter Schmelze
und abgeschalteter Heizung (22 bis 24) mit Hilfe der Thermokamera (49) Eichkurven aufgenommen
und abgespeichert werden.
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