DE4319996A1 - Verfahren zur berührungsfreien Erfassung der Oberflächentemperatur rotierender Scheiben - Google Patents

Description

Die berührungsfreie Messung der Oberflächentemperatur rotie­ render Körper durch Erfassung von deren IR-Strahlung ist bereits bekannt. So ist z. B. aus dem deutschen Patent 39 04 122 eine Anordnung zur berührungsfreien Messung der Oberflächentemperatur von rotierenden Automobilreifen bekannt, bei der die vom Reifen abgegebene IR-Strahlung von einem hinter einer Optik angeordneten IR-Detektor erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeleitet wird. Allerdings wird bei dieser Anordnung nicht die absolute Oberflächentemperatur erfaßt, sondern eine Temperatur, die durch den Emissionsfaktor der Reifenoberfläche beeinflußt ist. Das fällt bei einer Messung mit der bekannten Vorrichtung jedoch kaum ins Gewicht, da die Emission bei Autoreifen im allgemeinen homogen und konstant ist, so daß allenfalls eine konstante Beeinflussung des Meß­ ergebnis zu besorgen ist, die leicht in Rechnung gestellt werden kann. Im Gegensatz dazu stehen andere feste rotierende Körper, z. B. die genannten schnell und mit hoher Temperatur rotierenden Bremsscheiben, bei denen eine Inhomogenität der Emission deutlich auftritt und nicht vernachlässigt werden darf.

Andererseits ist auch die Messung der absoluten Oberflächen­ temperatur rotierender Körper bereits bekannt. Diese Messungen sind jedoch nicht berührungsfrei sondern geschehen unter Ver­ wendung von am Körper anliegenden Temperaturfühlern.

Die Temperaturerfassung ist bei diesen Messungen auf wenige Spuren des rotierenden Körpers und auf einen relativ kleinen Temperaturbereich begrenzt, so daß eine breite Erfassung der Temperaturverteilung über den ganzen Körper nur begrenzt möglich ist. Außerdem neigen die Temperaturfühler zum Schaben und Eindringen in die Oberfläche. Ferner erzeugt die begrenzte Temperaturleitfähigkeit des Fühlers bzw. des gesamten Erfas­ sungssystems eine Trägheit, die Temperaturschwankungen über dem Umfang des schnell rotierenden Körpers, z. B. einer schnell rotierenden Bremsscheibe, nicht auflösen läßt, so daß auch die Temperaturverteilung über den Umfang des Körpers nicht erfaßt und dargestellt werden kann. Die Kenntnis der Absolut­ temperaturverteilung über der gesamten Oberfläche ist jedoch notwendig, um kritische Wärmenester zu erkennen, die Schadens­ bildung, wie z. B. Abbrüche, Ausbrüche, Risse sowie Geräuschent­ wicklung, Verziehen oder Verschleiß verursachen können.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur wirklich berührungsfreien, hochauflösenden Erfassung der absoluten Oberflächentemperatur einer rotierenden Scheibe anzugeben, mit dem auch die Erfassung und Darstellung der gesamten Abso­ luttemperaturverteilung über der gesamten, dem IR-Detektor zugekehrten Scheibenoberfläche möglich ist.

Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren gelöst, das die in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine berüh­ rungsfreie Bestimmung der absoluten Temperatur eines Punktes der Oberfläche eines rotierenden Körpers, z. B. einer Scheibe, mit Infrarotmeßtechnik möglich ist. Die Bestimmung setzt aber die Kenntnis des Emissionsfaktors des Meßpunktes zum Zeitpunkt der Messung voraus. Lokale Verfärbungen, Spiegeln, Auftragungen, Glühen und extreme Temperaturunterschiede auf der Oberfläche bewirken über die Meßzeit und über die Oberfläche Verände­ rungen des Emissionsfaktors, was bei der Berechnung der abso­ luten Temperatur zu berücksichtigen ist.

Gemäß der Erfindung wird die absolute Temperatur eines Ober­ flächenpunktes P in der Weise ermittelt, daß in einer ersten Messung zunächst die vom Emissionsfaktor beeinflußte Tempe­ ratur gemessen wird. Danach wird der Punkt P mit einer Tempe­ raturquelle bekannter Temperatur bestrahlt, und in einer zweiten Messung wir die von dem Emissionsfaktor und dem Reflexions­ faktor des Meßpunktes bestimmte Temperatur gemessen. Die beiden Meßergebnisse werden einem Auswerterechner zugeführt, der aus diesen Meßwerten die absolute Temperatur (T_A) des Punktes P errechnet.

Diese im Auswerterechner nach voreingegebenem Programm ablau­ fende Berechnung geschieht in Ansehung der Bedingung, daß sich der Emissionsgrad ε, der Reflexionsgrad δ und der Transmis­ sionsgrad τ des Punktes P zu 1 addieren. Da es sich bei der Scheibe um einen undurchlässigen Körper mit einem Transmis­ siongrad = 0 handelt, vereinfacht sich diese Beziehung zu

δ+ε= 1 (2)

Im übrigen ist die Grundlage der Berechnung das Boltzmannsche Strahlungsgesetzt

u = εσ T⁴ (3)

In dieser Gleichung bedeuten:u = Strahlungsdichte in σ = Boltzmannkonstante in
T = Temperatur des Strahlers in K

Die gemessene Temperatur T_S1 wird einem schwarzen Strahler mit dem Emissionsgrad 1 zugeordnet und mit der absoluten Temperatur T_A über dem Emissionsgrad der Scheibe ε_Sch ins Verhältnis gesetzt.

u = 1σT⁴_S1 = ε_SchσT⁴_A (4)

Das läßt sich kürzen zu

T⁴_S1 = ε_SchT⁴_A (5)

In dieser Gleichung sind noch zwei Unbekannte enthalten, deshalb ist der zweite Meßwert erforderlich. Die gemessene Temperatur T_S2 wird einem anderen schwarzen Strahler mit dem Emissionsgrad 1 zugeordnet. In diese Gleichung fließt auch die Beleuchtungstemperatur T_B mit ein.

u = 1σT⁴_S2 = ε_SchσT⁴_A+δσT⁴_B (6)

führt zu

T⁴_S2 = ε_SchT⁴_A+δT⁴_B (7)

Gleichung 2 eingesetzt ergibt:

T⁴_S2 = ε_SchT⁴_A+(1-ε_Sch)T⁴_B (8)

Gleichung 5 von Gleichung 8 abgezogen ergibt:

Gleichung 10 in Gleichung 5 eingesetzt ergibt:

Daraus

Am Ausgange des Auswerterechners steht somit die Absoluttem­ peratur im Punkte P zum Zeitpunkt der Messung an. Durch An­ einanderreihung beliebig vieler Meßpunkte P wird die Tempe­ raturverteilung über die Breite und den gesamten Umfang der rotierenden Scheibe ermittelt.

An den Ausgang des Rechners sind in nicht weiter erläuterter Weise Peripheriegeräte angeschlossen, die eine digitale Auf­ zeichnung der Absoluttemperatur-Verteilung der Oberfläche der Scheibe oder auch ein Diagramm zur visuellen Beurteilung der Temperaturverhältnisse ausdrucken.

Die erste und die zweite Messung erfolgen naturgemäß nicht gleichzeitig sondern in einem zeitlichen Versatz zueinander. In dieser Zwischenzeit hat sich die rotierende Scheibe um einen vorbestimmten Winkel α verdreht. Es muß daher bei der Durchführung des Verfahrens dafür Sorge getragen werden, daß dem Auswerterechner nicht nur die beiden Meßergebnisse zugeführt werden sondern auch eine Information darüber, um welchen Winkel sich die Scheibe, d. h. der Meßpunkt P zwischen der ersten und der zweiten Messung gedreht hat, damit der Rechner die beiden richtigen, zueinander gehörenden Meßwerte ins Verhältnis setzt. Zu diesem Zwecke umfaßt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens stets auch einen Winkelgeber, der mit der Scheibe bzw. der sie tragenden Welle verbunden ist und ständig eine Information über die Winkelstellung der rotierenden Scheibe an den Auswerterechner liefert und somit zur Meßortbestimmung dient.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens wird allerdings bei den Messungen nicht gewartet, bis sich der Punkt P aus der Stellung P1 in die Stellung P2 gedreht hat, um dann die zweite Messung vorzunehmen, sondern es werden in zwei Meßkanälen ständig gleichzeitig Messungen vorgenommen, die bezüglich eines beliebigen Punktes P um den Winkel α zueinander phasen­ verschoben sind. In dem Auswerterechner ist einprogrammiert, diese beiden Meßreihen soweit relativ zueinander zu verschieben, daß die zusammengehörenden Messungen paarweise ausgewertet werden können.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen ist das erfundene Verfahren im Zusammenhang mit der Temperaturmessung an der Oberfläche einer Bremsscheibe beschrieben und beansprucht. Es sei hier jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Verfahren in der gleichen Weise auch bei anderen rotierenden undurchsichtigen Körpern anwendbar ist. Die Anwendung bei solchen anderen Körpern stellt daher lediglich eine nahelie­ gende Modifikation des eigentlichen Erfindungsgedankens dar, unter Benutzung eben dieses Gedankens.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbei­ spiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Gesamtkonzept einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in einer Draufsicht,

Fig. 2 eine Ansicht der Bremsscheibe in Pfeilrichtung A der Fig. 1,

Fig. 3 den Aufbau des Abtasters in doppelter Ausführung für Kanal I und Kanal II bei einer Ansicht in Pfeilrichtung B der Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 der Abtaster bezeichnet, der in doppelter Ausführung für den Kanal I und den Kanal II vorhanden ist. In der Darstellung der Fig. 1 stehen diese beiden Abtaster senkrecht zur Zeichenebene übereinander, so daß nur einer dieser Abtaster sichtbar ist. Die Abtaster bestehen aus je einem IR-Detektor 1a, einer Optik 1b, einem Umlenkspiegel 1c, der zu Justagezwecken verstellbar ist, sowie einem Scanner­ spiegel 1d, der um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse in Richtung des Doppelpfeiles schwenkbar ist. Diese Schwen­ kung geschieht in Schritten und wird vom Auswerterechner immer dann geschaltet, wenn die Messungen auf einer Umfangslinie beendet sind und die Messungen auf einer in radialer Richtung benachbarten Umfangslinie fortgesetzt werden sollen. Die Spiegelschwenkung geschieht somit schrittweise.

Das Gehäuse des Abtasters 1 enthält eine Öffnung 12, durch welche die von der Scheibe 4 kommenden IR-Strahlen in den Abtaster eintreten. Innen im Gehäuse sind neben dieser Öffnung zwei Temperaturreferenzelemente 1e angeordnet. Auf diese Re­ ferenzelemente "blickt" der Scannerspiegel 1d wann immer er beim Abtasten der Scheibe über den inneren oder den äußeren Radiusendpunkt hinausschwenkt, so daß bei Scannen der Scheibe am Anfang und am Ende auch jeweils die Referenztemperatur abgetastet wird.

Im Strahlengang 2 vor den Abtastern 1 steht ein Umlenk­ spiegel 3, der ebenfalls zum Zwecke der Justage des Strah­ lenganges einstellbar ist. Vor diesem wiederum ist die Scheibe 4 angeordnet, die fest auf einer Welle 5 sitzt.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Bremsscheibe 4, und zeigt auf dieser insbesondere die Lage der beiden Meßpunkte P1 und P2, die durch einen Winkel α voneinander getrennt sind. Zwischen beiden steht ein Wärmeschutzschild 9, das den Punkt 1 vor den Strahlen einer externen Wärmequelle 10 schützt, mit welcher der Punkt 2 bestrahlt wird. Diese externe Wärmequelle besteht aus einem IR-Flächenstrahler, der in Fig. 1 gezeigt ist.

Bei den Punkten P1 und P2 handelt es sich übrigens um den gleichen Punkt auf der Scheibe, der nur in der ersten Meßstellung mit P1 und nach Drehung um den Winkel α in seiner zweiten Stellung mit P2 bezeichnet ist.

Es sei an dieser Stelle aber nochmals darauf hingewiesen, daß bei der praktischen Durchführung der Messungen nicht immer gewartet wird, bis sich der Meßpunkt von P1 nach P2 gedreht hat, sondern es werden ständig gleichzeitig in P1 und P2 Messungen vorgenommen, deren Ergebnisse soweit zuein­ ander phasenverschoben werden, daß für den Auswerterechner die jeweils zusammengehörenden Meßergebnisse zur Verfügung stehen. Diese Phasenverschiebung geschieht unter Mitwirkung des Winkelgebers 11, durch den zusätzlich auch eine Null­ stellung der Scheibe festgelegt wird, von der aus die ein­ zelnen Punkte in ihrer Winkellage auf den Umfangslinien der Scheibe eindeutig definiert und somit wiederauffindbar sind.

Bei der Erstellung eines kompletten thermografischen Ober­ flächendiagramms einer Bremsscheibe hat es sich als zweck­ mäßig erwiesen, den Winkel α beim Umschalten von einer Spur auf eine benachbarte Spur nicht konstant zu halten, sondern diesen Winkel zu vergrößern, wenn der Spurradius kleiner wird (Abtastung von außen nach innen), und den Winkel zu verkleinern, wenn der Spurradius größer wird (Abtastung von innen nach außen).

Diese Winkeländerung ist vorbestimmt, und die sich daraus ergebenden Parameter der Phasenverschiebung zwischen P1 und P2 sind im Programm des Auswerterechners berücksichtigt.

Fig. 3 zeigt den Aufbau des Abtasters 1 in größerem Detail. Von diesen Abtastern sind zwei identische Exemplare vorhanden, die von einer Konsole getragen werden. Beide Abtaster enthalten die schon beschriebenen IR-Detektoren 1a, Optiken 1b, Justage­ und Scannerspiegel 1c und 1d. Außerdem ist hier die Lage der Temperaturreferenzelemente 1e deutlich erkennbar. Der Scanner­ spiegel 1d gerät beim schrittweise Einspiegeln der benachbarten Umfangslinien am Anfang und am Ende der Scheibe jeweils in eine Stellung, in der sein Mittenstrahl seitlich über die Be­ grenzung der Öffnung 12 hinaus und damit auf eines der Refe­ renzelemente gerichtet ist. D.h. in dieser Anfangs-und End­ stellung wird jeweils die Referenztemperatur zum IR-Detektor 1a geführt.

Zusätzlich ist in Fig. 3 noch gezeigt, daß die Abtaster 1 noch je einen Laser 7 enthalten, dessen Strahlen über zwei Umlenkspiegel Ba, Bb durch den Justagespiegel 1c hindurch zum Scannerspiegel 1d geleitet und von diesem auf die Scheibe 4 reflektiert werden. Der vom Laser auf der Scheibe erzeugte Lichtfleck dient dem Einrichtbetrieb sowie als Meßpunktvisual.

Claims (6)

1. Verfahren zur schnellen, hochauflösenden, berührungs­ freien Erfassung der absoluten Oberflächentemperatur einer rotierenden Scheibe mit an verschiedenen Stellen inhomogenen, sich ändernden Emissionen, insbesondere einer Bremsscheibe, durch Messung der von der Scheibe abgegebenen Infrarotstrahlung mittels eines einen IR-Detektor enthaltenden Abtasters, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) in einer ersten Messung wird die Temperatur eines Punktes P der Scheibenoberfläche erfaßt,
• b) danach wird der Punkt P mittels einer externen Temperaturquelle (10) bekannter Temperatur bestrahlt,
• c) in einer zweiten Messung wird dann die Temperatur des Punktes P unter Bestrahlung mit dieser Tempera­ turquelle erfaßt, und
• d) die beiden Meßergebnisse werden einem Auswerterechner zugeführt, der mit Hilfe des Reflexionsfaktors den Emissionsfaktor und mit dessen Hilfe die absolute Temperatur des Punktes P berechnet, die in geeigneten Peripheriegeräten digital angezeigt oder in Diagramm­ form ausgedruckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Messung und die zweite Messung unter verschie­ denen vorbestimmten Winkelstellungen (α) der Scheibe (4) vorgenommen werden, und dem Auswerterechner von einem Winkel­ geber (11) eine Information über den zwischen den beiden Messungen liegenden Winkel (α) zugeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) auf der gleichen Umfangslinie der Scheibe (4) eine Vielzahl benachbarter Punkte P thermographisch abgetastet wird, und daß
• b) nach Durchlauf dieser Umfangslinie eine benachbarte Umfangslinie in gleicher Weise abgetastet wird, und danach eine weitere Umfangslinie, bis von der Scheibe (4) ein komplettes thermographisches Ober­ flächendiagramm erstellt ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und die zweite Messung in getrennten Meßkanälen I und II durchgeführt wird, die bei jeder der ständig aufeinanderfolgenden Messungen gleichzeitig die Temperatur zweier um den Winkel (α) zueinander versetzt auf der Umfangslinie liegender Punkte P erfassen, und im Kanal II erstellten Meßreihen soweit zueinander ver­ schoben werden, daß der Rechner stets die Meßwerte eines Punktes P in seinen um α verschobenen Stellungen zur Verrechnung verwendet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung ein an sich bekannter Abtaster (1) mit IR-Sensor (1a), Optik (1b), Scannerspiegel (1d) und Referenzelement (1e) verwendet wird, der auch einen Laser (7) zur Projektion eines Lichtfleckes auf die Scheibe (4) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung zwei identische Abtaster (1) verwendet werden, von denen der eine die erste Messung und der andere die zweite Messung vornimmt (Kanäle I und II).