DE4114367C2 - Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung von laufenden und in Laufrichtung langgestreckten Meßobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung von laufenden und in Laufrichtung langgestreckten Meßobjekten. Es handelt sich hierbei um sogen. linienförmige Meßobjekte, wie Draht, Gießstrahl od. dgl., deren abgegebene Temperaturstrahlung über eine geräteeigene Optik als Meßstrahl mindestens einem Empfänger zwecks Signalbildung zugeführt wird.

Derartige Pyrometer sind in der Praxis in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt geworden. Sie werden oftmals unter rauher Industrieumgebung eingesetzt, wobei dann die Gefahr großer Störanfälligkeit und/oder Verschleißanfälligkeit besteht.

Bei der pyrometrischen Temperaturmessung an bewegten Meßobjekten, beispielsweise Draht in einer Drahtfertigungsstraße oder Gießstrahl an Gießmaschinen, treten häufig Probleme auf, weil das Meßobjekt Schlingerbewegungen um eine Neutrallage ausführt, wobei das Meßobjekt das Visierfeld des Pyrometers durchwandert und dadurch auf den Empfänger (Detektor) zeitweilig keine als Meßstrahl geeignete Temperaturstrahlung gelangt - es entstehen dann in der Regel stark schwankende Meßsignale, die keine eindeutige Temperatur-Bestimmung zulassen.

Mit verschiedenen Methoden versucht man, dieses Problem zu bewältigen:

• 1. Mit einem sogen. schnellen Pyrometer mit Maximalwertspeicher, vgl. DE-Z "Stahl und Eisen" 94 (1974), Nr. 22, S. 1021-1027:
  Wenn das Meßobjekt das Visierfeld des Pyrometers durchläuft, nimmt das Meßsignal einen maximalen Wert an, das je nach Distanzverhältnis, Meßfleck-Abmessung und Geschwindigkeit einen mehr oder minder plateauähnlichen Verlauf aufweist. Mit Hilfe eines Maximalwert-Speichers kann man den Maximalwert speichern. Bei einem solchen Pyrometer erhält man dann einen durchgehenden Kurvenverlauf. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, wenn das Meßobjekt über einen längeren Zeitraum aus dem Visierfeld (Pyrometergesichtsfeld) verschwunden ist - es stellen sich dann lange, in ihrer Dauer undefinierte "Totzeiten" in der Meßwert-Erfassung ein, die im Hinblick auf eine stabile Regelung unerwünscht sind.
• 2. Mit einem als Ganzes verschwenkbaren Pyrometer, vgl. DE-AS 10 55 258:
  Hierbei ist aufgrund der verhältnismäßig großen Masse, welche bewegt werden muß, eine relativ aufwendige und kostenintensive Schwenkeinrichtung erforderlich und eine schnelle Schwenkbewegung nicht sinnvoll/möglich und somit Trägheit gegeben. Außerdem wird das Meßobjekt nur periodisch erfaßt, wodurch sogen. "Totzeiten" ohne Meßobjekt- Erfassung entstehen, die sich nachteilig auswirken.
• 3. Mit einem Pyrometer mit Schwenkspiegel, vgl. DE-OS 21 50 963:
  Mit Hilfe eines Schwenkspiegels wird versucht, das Meßobjekt für einen Augenblick zu erfassen und in das Pyrometer einzuspiegeln. Dieses Verfahren setzt ebenfalls ein schnelles Pyrometer mit entsprechender Auswertelogik und bspw. mit Maximalwert-Speicher voraus.

Nachteilig ist dabei die Spiegelmechanik mit ihren bewegten und somit verschleißanfälligen Teilen. Das Spiegel- und Meßobjekt-Bewegung zeitlich nicht korrelieren, kann sich die gleiche Situation wie unter Punkt 1 ergeben daß nämlich über längere Zeiträume das Pyrometer mit keiner Meßstrahlung beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zum schnellen und exakten Temperatur-Messen von laufenden, ggf. quer zur Laufrichtung im begrenzten Maße schlingernden Meßobjekten zu schaffen, das bei einfachem und bezüglich der Meßobjekt-Erfassung schwenkmechanikfreiem Aufbau unter Vermeidung von "Totzeiten" in der Meßsignal-Erfassung ein kontinuierliches Ausgangssignal zur Meßwert-Anzeige, d. h. Anzeige der gemessenen Temperatur, ergibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Pyrometer gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Pyrometer ist besonders geeignet, um verhältnismäßig dünne und von der idealen Durchlauflinie quer zur Laufrichtung schlingernde Meßobjekte - wie dies beispielsweise bei einem laufenden Draht und einem Gießstrahl der Fall ist - exakt und schnell zu messen.

Im Gegensatz zu den vorbekannten Pyrometern, die lediglich eine Sammellinse für die Bündelung der vom Meßobjekt abgestrahlten Temperaturstrahlung auf den Empfänger aufweisen, findet beim erfindungsgemäßen Pyrometer keine Strahlen-Bündelung auf einen einzigen Punkt statt, sondern das Meßobjekt bildet einen Strahlenstreifen ab, welcher beim Schlingern in Richtung seiner Längserstreckung über den bzw. die Empfänger des Pyrometers wandert. Der vorerwähnte Strahlenbündel-Streifen - ein sogenanntes Meßstrahlen-Band - ist in seinem Mittelteil bzgl. seiner spektralen Beschaffenheit homogen, an beiden Enden können jedoch Inhomogenitäten auftreten, die den Arbeits­ bereich begrenzen. Bei Abweichungen des Meßobjekts gegenüber der durch die ideale Durchlauflinie gebildeten Neutrallage ändert der homogene Mittelteil des Strahlenbündel-Streifens seine Lage in der Abbildungsebene, überdeckt jedoch den bzw. die für den Meßvorgang zuständigen Empfänger - erst wenn die Abweichung so groß ist, daß die inhomogene Randzone des Strahlen­ bündel-Streifens im Bereich des bzw. der für den Meßvorgang zuständigen Empfänger(s) liegt, ist der an sich weite Bereich der zulässigen Abweichung überschritten. Es versteht sich von selbst, die Zylinderlinse so auszubilden und/oder anzuordnen, daß die vom axialbewegten sowie quer zur Axialrichtung (Laufrichtung) schlingernden Meßobjekt zu erwartende Abweichung von der Neutrallage voll im Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Pyrometers liegt; hierbei kann auch die Entfernung zwischen Meßobjekt und Pyrometer mit berücksichtigt werden, um zugewährleisten, daß die vom Meßobjekt abgestrahlte Temperaturstrahlung mittels der Zylinderlinse den bzw. die die Signalaufbereitung betreibende(n) Empfänger mit dem homogenen Teil des Strahlenbündel-Streifens erreicht. Bei dem erfindungsgemäßen Pyrometer wird letztendlich gewährleistet, daß auch bei schlingerndem Meßobjekt die auf den bzw. die die Temperaturstrahlung empfangenden Empfänger gelangende Strahlungsenergie - und damit das Ausgangssignal der Auswerteeinheit (Meßeinrichtung) - konstant bleibt, und dies obwohl das Meßobjekt und der/die von diesem bestrahlte(n) Empfänger in einer (orts)festen Beziehung während des Meßvorgangs stehen. Das erfindungsgemäße Pyrometer zeichnet sich auch dadurch aus, daß nun aufgrund des Verzichts eines Schwenkspiegels bzw. einer Pyrometer-Schwenkeinrichtung keine beim Meßvorgang bewegten Teile vorhanden sind und somit bewegungsbedingter Teile-Verschleiß nicht vorliegt - das erfindungsgemäße Pyrometer weist damit auch eine weitgehend verschleißfreie und dadurch langlebige sowie betriebssichere Konstruktion auf, die außerdem preisgünstig herstellbar ist.

Zylinderlinsen sind zwar an sich, bspw. bei Geräten zur Raumüberwachung zwecks Sicherung gegen Diebstahl u. dgl. bekannt (vgl. beispielsweise: US-PS 4 740 701, DE-AS 22 31 776), dienen dort aber der Lösung ganz anderer Problemstellungen.

Unter den Quotientenpyrometern (Farbpyrometern) ist gemäß DE-Z "Stahl und Eisen" 94 (1974) Nr. 22, S. 1024-1025, bereits eine Ausführung bekannt, bei der die Meßstrahlung auf einer angeätzten, als Diffusor wirkenden Eintrittsfläche eines Quarzglasstabes abgebildet wird, welcher den empfangenen schmalen Lichtstreifen einem Empfänger (Siliciumdiode) zuführt. Dabei werden Meßobjekt-Lageänderungen bis ± 10 mm noch erfaßt - in der Praxis treten oftmals wesentlich größere Schlingerbewegungen auf, und da wäre das vorbekannte Pyrometer unbrauchbar. Die Flächenabnahme zum Kreisrand hin wirkt sich wie eine Neutralschwächung aus; die Bestrahlungsintensität des Empfängers am Ausgang des Quarzglasstabes kann dabei bis auf 20% des normalen Wertes zurückgehen (vgl. hierzu S. 1025, linke Spalte oben). Neben der Schwächung im Randbereich ist allein aufgrund der Verwendung eines Diffusors im optischen System bereits generell eine Schwächung der zu übertragenden Meßstrahlung gegeben, was dazu führt, daß die Meßempfindlichkeit für den niedrigen Temperaturbereich nicht ausreicht.

Das erfindungsgemäße Pyrometer hat gegenüber einem solchen Quotientenpyrometer folgende Vorteile:

• a) es läßt weit größere Schlingerbewegung als ± 10 mm zu,
• b) es findet keine nachteilige Neutralschwächung im optischen System infolge Diffusor-Einsatz statt,
• c) der Sensor-Anfangsbereich kann genutzt werden,
• d) es lassen sich auch niedrige Temperaturen, z. B. von unter 100°C, exakt messen.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche­ matisch dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht des Strahlengang- Bereichs eines erfindungsgemäßen Pyrometers mit Zy­ linderlinse und einem einzigen Empfänger (Detektor) wobei die Meßobjekt-Neutrallage einschließlich Tempe­ raturstrahlung sowie die beiden Endlagen der vom Meß­ objekt ausgehenden Temperaturstrahlung (Meßstrahlung) dargestellt sind,

Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht des Strahlengang- Bereichs eines erfindungsgemäßen Pyrometers mit meh­ reren Empfängern (Detektoren), wobei die Meßobjekt- Neutrallage einschließlich Temperaturstrahlung sowie die beiden Endlagen der vom Meßobjekt ausgehenden Temperaturstrahlung (Meßstrahlung) dargestellt sind,

Fig. 3 eine perspektivische Seitenansicht des Strahlengang- Bereichs bei einem etwa im mittleren Zylinderlinsen- Bereich befindlichen und nach oben auswandernden Meß­ strahl, wobei die obere Grenzlage aufgezeigt wird,

Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht des Strahlengang- Bereichs bei einem etwa im mittleren Zylinderlinsen- Bereich befindlichen und nach unten auswandernden Meßstrahl, wobei die untere Grenzlage aufgezeigt wird, und

Fig. 5 eine Pyrometer-Ausführung mit der Zylinderlinse vor­ geschalteter sphärischer Linse, an einer Ausführungs­ form gemäß Fig. 2 dargestellt (jedoch auch bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 1 möglich).

Ein als Ganzes nicht dargestelltes erfindungsgemäßes Pyrometer, insbesondere in der Art eines sogen. schnellen Pyrometers aus­ geführt, dient der berührungslosen Temperaturmessung von lau­ fenden und dabei gegenüber einer Neutrallage, sogenannter idealer Durchlauflinie/Neutrallinie, schlingernden - d. h. seitwärts ausweichenden - Meßobjekten 1, insbesondere schma­ ler bzw. dünner Gestalt, wie Draht, Gießstrahl u. dgl., deren abgegebene Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung) als sogenannte "Meßstrahlung" über eine Zylinderlinse 2 mindestens einem Emp­ fänger (Detektor) 3 zwecks Signal-Bildung zugeführt wird. Das entsprechende "Signal" wird insbesondere unter Zuhilfenahme ei­ nes geräteeigenen Prozessors (insbesondere Mikroprozessors) ausgewertet und entweder im Pyrometer selbst zur Anzeige ge­ bracht oder aber einer sogenannten "Schnittstelle" einer nach­ geschalteten Einheit (beispielsweise Computereinheit) zuge­ führt.

Die Laufrichtung des Meßobjekts ist nicht dargestellt, sie deckt sich mit der Meßobjekt-Längsachse (im dargestellten Bei­ spiel nach links oder rechts bewegend). Aufgrund der linienar­ tigen Abbildung des Meßobjekts 1 ist jedoch offenbart, daß das­ selbe von einem dünnen Objekt, wie Draht, Gießstrahl o. dgl., gebildet ist - die Längsachse des dargestellten Meßobjekts 1 deckt sich dabei mit der Laufrichtungs-Achse. Fig. 1 zeigt le­ diglich einen Abschnitt des Meßobjekts 1.

Wie bei einem Vergleich von Fig. 1 und Fig. 2 leicht zu ersehen ist, kann das erfindungsgemäße Pyrometer entweder mit einem einzigen Empfänger 3 (vgl. Fig. 1) oder aber mit einer Vielzahl von im Abstand oder abstandslos aneinander gereihten Empfängern (Detektoren) 3a-3n ausgestattet sein - bei der letztgenannten Version ist der jeweilige Empfänger (Detektor) 2a-2n nur für die Auswertung eines begrenzten Spektrums (speziellen Tempera­ tur-Bereichs) zuständig (vgl. Fig. 2).

Bei dem vereinfacht dargestellten Pyrometer-Aufbau ist in der vom insbesondere linienförmigen Meßobjekt 1 ausgehenden Meß­ strahlung eine Zylinderlinse 2 angeordnet, welche mit ihrer Längsachse (d. h. der durch den Querschnitt verlaufenden Achse) quer zur Meßobjekt-Laufrichtung verläuft (vgl. beispielhaft Fig. 1 und Fig. 2). Die Zylinderlinsen-Achse (Längsachse der Zylinderlinse) ist derart ausgerichtet, daß die vom linienför­ migen ggf. seitwärts schlingernden Meßobjekt 1 abgestrahlten Wärmestrahlen 4 hinter der Brennlinie 5 der Zylinderlinse 2 als ein mit 6 beziffertes Band (streifenförmige Abbildung) in der Bildebene abgebildet wird. Handelt es sich bei dem Gegenstand um den Strahler einer bestimmten Temperatur, so wird eine streifenförmige Fläche abgebildet, die in ihrer Energiedichte keinen Gradienten aufweist und in ihrer spektralen Zusammenset­ zung homogen ist.

Die in Fig. 1 dargestellten Strahlenbündel geben die beiden Grenzlagen aller möglichen Strahlenbündel und die Mittellage an. Fig. 3 zeigt die obere Grenzlage und Fig. 4 zeigt die un­ tere Grenzlage der streifenförmigen Abb. 6 in bezug auf einen Empfänger 3 - selbstverständlich ist dies auch bei einer Pyrometer-Ausbildung gemäß Fig. 2 mit mehreren in einer Linie angeordneten Empfängern 3a-3n möglich.

Bewegt sich bei einem erfindungsgemäßen Pyrometer nun das Meß­ objekt 1 auf der angegebenen X-Achse (Auslenkrichtung) gegen­ über dem Pyrometer, so wandert auch der abgebildete Streifen 6 auf der angegebenen X-Achse gegenüber dem Empfänger 3 bzw. 3a-3n der in der Ebene der Abbildung liegt. Wegen der geschilder­ ten Eigenschaften der Abbildung hat dies jedoch innerhalb ei­ ner zulässigen Amplitude keinen Einfluß auf das Detektorsignal.

Die Zylinderlinse 2 kann entgegen der zeichnerischen Darstel­ lung (mit rechteckiger Körper-Form) auch eine runde Körper-Form haben, wodurch sich dieselbe leicht verdrehen läßt und eine einfache(re) Justierung ermöglicht.

Die Zylinderlinse 2 ist als Glaslinse, vorzugsweise aus Spek­ tralglas, ausgeführt. Ihre Brennweite (gegeben/bestimmt durch den Querschnitt-Radius sowie das Linsen-Material) bestimmt die Breite des Streifens/Bandes 6 in der Bildebene an dem Empfänger 3 bzw. an den Empfängern 3a-3n.

Das erfindungsgemäße Pyrometer kann sowohl als Intensitätspyro­ meter als auch als Quotientenpyrometer ausgebildet sein.

In bevorzugter Weise ist (wie an sich bekannt) dem Empfänger 3 bzw. den Empfängern 3a-3n mindestens ein Filter (nicht darge­ stellt) vorgeschaltet. Solche Filter sind dabei z. B. von Inter­ ferenzfiltern bzw. von einem Verlauffilter gebildet.

Bei Quotienten- und Mehrfarbenpyrometer muß das vom Meßobjekt 1 ausgehende Strahlenbündel auf die einzelnen Empfänger/Detek­ toren mit verschiedener Spektralcharakteristik aufgeteilt wer­ den. Dies kann mit Mehrfachlichtleitern oder Strahlteilern be­ kannter Bauart (z. B. Prismen-, Spiegelsysteme) geschehen oder bei gechoppten Geräten mit einem rotierenden Filterwechselrad im Strahlengang. Ebenso kann man hierzu eine Zylinderlinse 2 benutzen. Aufgrund der über die Zylinderlinse 2 gemachten Aus­ sagen ist es möglich, in der Bildebene die Empfänger verschie­ dener Spektralempflindlichkeit anzubringen.

Eine Weiterbildung des Erfindungsgedanken sieht vor, daß der Zylinderlinse 2 ein Blendensystem zugeordnet (vorzugsweise vor­ gelagert ggf. nachgeschaltet) ist. Ein solches Blendensystem ergibt eine Verbesserung der Abbildungseigenschaften und da­ durch auch eine Unabhängigkeit von

• a) Entfernung zwischen Meßfleck und Pyrometer-Linse (Zylinder­ linse 2)
• b) verschiedenen Meßfleck-Abmessungen (z. B. Draht-Durchmesser oder Gießstrahl-Dicke).

Weiterhin ist es möglich und in Fig. 5 vom Prinzip her offen­ bart, der Zylinderlinse 2 eine sphärische Linse 7 vorzuschal­ ten. Eine solche sphärische Linse 7 bewirkt eine weitere Opti­ mierung, insbesondere eine Steigerung der zu dem/den Empfän­ ger(n) 3, 3a-3n gelangenden Energie, da eine Strahlen-Bündelung vor der Zylinderlinse 2 vorgenommen wird.

Fig. 5 zeigt prinzipmäßig auf, daß es bei dem erfindungsgemäßen Pyrometer mit Zylinderlinse 2 auch möglich ist, einen sogen. "Visierstrahl" abzuzweigen.

Fig. 5 offenbart eine besonders bevorzugte Ausführungsform mit mehreren Empfängern (Detektoren) 3a-3n, zusätzlicher (der er­ findungsgemäßen Zylinderlinsen-Anordnung vorgeschalteter) sphä­ rischen Objektivlinse 7 sowie Visierstrahl-Abzweigung.

Bei dem erfindungsgemäßen Pyrometer gemäß Fig. 5 wird die vom Meßobjekt stammende Meßstrahlung 4a durch die sphärische Objek­ tivlinse 7 zu einem Strahlenbündel 4b gebündelt und hinter dem Brennpunkt als ein mit 4c bezifferter Meßstrahl der Zylinder­ linse 2 zugeführt, welche diesen Meßstrahl einem der vielen an­ einandergereihten Empfänger/Detektoren 3a-3n zur Signalbildung zuführt. Wie bereits vorerwähnt, wird ein von einem schmalen bzw. dünnen Meßobjekt 1 (d. h. spaltenförmigen Gegenstand) stam­ mende Wärmestrahlung aufgrund der Meßobjekt-Schlingerbewegung in der Bildebene, d. h. bei Pos. 6, als Streifen abgebildet - die Längsachse dieses Streifens 6 verläuft bei der dargestell­ ten Ausführung vertikal (vgl. auch Fig. 1-4). Im Bereich des mit 4b bezifferten Teil des Meßstrahls ist ein Strahlteiler 8 angeordnet, der einen Strahlungsteil als Visierstrahl 9 ab­ zweigt, welcher von einem Umlenkspiegel 10 umgelenkt und einem Okular 11 zugeführt wird. Dies Pyrometer ist vorzugsweise auch mit einer Blende 12 versehen. Die Blende 12 liegt vorzugsweise vor dein Strahlteiler 8.

Claims (9)

1. Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung von laufenden und in Laufrichtung langgestreckten Meßobjekten, deren abgegebene Temperaturstrahlung über eine geräteeigene Optik als Meßstrahlung mindestens einem Empfänger zwecks Signalbildung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet

• - daß die geräteeigene Optik eine die Temperaturstrahlung empfangende Zylinderlinse (2) aufweist,
• - daß das Pyrometer derart in Meßposition bringbar ist, daß die Zylinderlinsen-Längsachse quer zur Meßobjekt-Längsachse ausgerichtet ist und dabei in derselben Achsrichtung verläuft wie eine mögliche Schlingerbewegung, die das Meßobjekt um eine Neutrallage ausführen kann
• - wobei die Zylinderlinse (2) die durch sie gebündelten Temperaturstrahlen des Meßobjekts (1) einem Streifen (6) abbildet, welcher in der Meßobjekt-Neutrallage den mindestens einen Empfänger (3, 3a-3n) bezüglich der Länge des Streifens mittig liegend überdeckt.

2. Pyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe mehrere Empfänger (3a-3n) aufweist, die in einer Reihe parallel zur Zylinderlinsen-Längsachse angeordnet sind.

3. Pyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (3) bzw. die Empfänger (3a-3n) jeweils hinter der Zylinderlinsen-Brennlinie (5) angeordnet ist/sind.

4. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (2) zur Justierung verdrehbar ist.

5. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe als Quotientenpyrometer ausgebildet ist.

6. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Empfänger (3; 3a-3n) ein Filter vorgelagert ist.

7. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderlinse (2) eine sphärische Linse (7) vorgeschaltet ist.

8. Pyrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der sphärischen Linse (7) und der Zylinderlinse (2) eine Blende (12) angeordnet ist.

9. Pyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahl (4b) ein Strahlteiler (8) zur Abzweigung eines zu einem Okular (11) führenden Visierstrahls (9) angeordnet ist.