DE4433347A1

DE4433347A1 - Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen

Info

Publication number: DE4433347A1
Application number: DE4433347A
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Messerschmid; Monika Prof Dr Auweter-Kurtz; Helmut Frueholz; Harald Habiger; Manfred Hartling; Otto Dr Loesener; Wolfgang Roeck
Original assignee: Individual
Current assignee: MESSERSCHMID, ERNST, PROF. DR., 72766 REUTLINGEN,
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 1995-06-01

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen mit einem Pyrome ter, das einen opto-elektronischen Detektor und eine Aus werteelektronik zur Ermittlung der Temperaturen aufweist und ein Verfahren gemäß Anspruch 23.

Ein großes Problem bei der Entwicklung von Hitzeschutz systemen für Raumflugkörper, die sich beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre stark aufheizen, ist die exakte Be stimmung der Temperaturen der Hitzeschutzmaterialien. Ins besondere beim Wiedereintritt von Raumflugkörpern in die Atmosphäre der Erde oder eines anderen Himmelskörpers kön nen Temperaturen von 2000°C und mehr entstehen. Aufgrund solch hoher Temperaturen ist der Einsatz von herkömmlichen konvektiven Temperaturmeßverfahren ausgeschlossen. Die Wär meableitung dieser Hitzeschutzmaterialien erfolgt weitge hend durch Abstrahlung der Wärmeenergie. Infolge der Strah lungsemission z. B. der keramischen Hitzeschutzmaterialien oder der thermisch belasteten Elemente ist damit der Ein satz von pyrometrischen Temperaturmeßverfahren denkbar.

Zur berührungslosen Messung von Temperaturen in Berei chen über 1000°C werden häufig sogenannte Pyrometer einge setzt, die auf der Grundlage der Strahlungsthermometrie arbeiten.

Mit herkömmlichen Pyrometern ist es jedoch nicht mög lich, Temperaturen unmittelbar in thermisch belasteten Ele menten, wie z. B. den Hitzeschutzschildkacheln eines Raum fahrzeuges während des Eintritts in eine Atmosphäre oder des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre zu messen. Diese handelsüblichen Pyrometer sind für den Einsatz unter sol chen extremen Bedingungen ungeeignet, da diese Pyrometer einerseits zu groß und andererseits zu schwer sind. Darüber hinaus haben diese den Nachteil, daß sie im hohen Tempera turbereich sehr ungenau arbeiten. Auch ist es aus Platz gründen häufig nicht möglich, das Pyrometer bzw. die Meß vorrichtung nahe genug an die gewünschte Meßstelle heranzu führen.

Aus der US-PS 4 619 533 ist ein Tuyere-Pyrometer zur Messung der Temperatur von metallischen Schmelzen bekannt. Hierbei wird die Temperaturstrahlung aus der Schmelze über einen Tuyere-Körper mittels eines Wellenleiters dem Pyrome ter zugeführt. Damit kann die das eigentliche Pyrometer entfernt von der sehr heißen Meßstelle angeordnet und so von zu hoher thermischer Belastung geschützt werden. Die Temperatur wird durch Intensitätsmessung bei zwei unter schiedlichen Wellenlängen ermittelt. Die zwei Meßwellenlän gen werden durch geeignete Bandpaßfilter ausgefiltert. Durch die Messung bei zwei Meßwellenlängen bzw. Meßwellen längebereichen ist eine aufwendige Filtereinrichtung zum Ausfiltern dieser Wellenlängen erforderlich. Nachteilig bei diesem bekannten Pyrometer ist, daß sich nur über kleine Temperaturbereiche ein linearer Zusammenhang zwischen ge messenem Intensitätsverhältnis und Temperatur ergibt.

Aus der DD 2 99 920 A ist ebenfalls eine pyrometerische Temperaturmeßvorrichtung bekannt, bei der die Temperatur strahlung durch Verhältnisbildung der bei unterschiedlichen Wellenlängen gemessenen Intensität erfolgt. Hierbei wird die von der Meßstelle ausgehende Temperaturstrahlung durch einen Lichtwellenleiter aufgefangen und der eigentlichen Meßvorrichtung zugeführt. Der Lichtwellenleiter wird vor der eigentlichen Meßvorrichtung in eine Mehrzahl von Teil bündel aufgespalten. Jedem Teilbündel ist dann ein speziel les optisches Filter und ein opto-elektronischer Detektor nachgeschaltet. Durch die Vielzahl von optischen Filtern und Detektoren vergrößert sich das Bauvolumen der Vorrich tung. Außerdem führt dies zu einer Verteuerung der Meßvor richtung.

Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge eine Vorrich tung zu schaffen, mit der hohe Temperaturen an Meßstellen, die sich in räumlich oder sonst irgendwie ungünstiger Posi tion befinden, pyrometrisch gemessen werden können, wobei sich diese Vorrichtung durch eine platzsparende Bauweise, ein geringes Gewicht, und eine hohe Genauigkeit der Tempe raturmessung auszeichnen soll.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfah ren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen anzuge ben.

Vorrichtungstechnisch wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Da eine Messung der Vorderseitentemperatur eines Hitze schutzmaterials während des realen Wiedereintritts nicht möglich ist, bietet die exakte Bestimmung der Rückseiten temperatur die Möglichkeit über ein Thermalmodell auch die Vorderseitentemperatur zu berechnen. Im Gegensatz zu Ther moelementen vermeidet die erfindungsgemäße Vorrichtung, die berührungslos optisch mißt, eine Störung des Thermalverhal tens und eventuelle Reaktionen zwischen dem Thermoelement und dem thermisch belasteten Element. Pyrometrische Tempe raturmessung bedeutet Temperaturbestimmung über Strahlungs messung entsprechend der Plank′schen Strahlungsformel.

I_λ _,S: spektrale spezifische Ausstrahlung des schwarzen Körpers;
c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
h: Plank′sches Wirkungsquantum;
k: Boltzmannkonstante;
λ: Wellenlänge.

Der elektro-optische Detektor mit linearem Ansprechver halten empfängt die mittels des Lichtwellenleiters übertra gene emittierte Strahlungsleistung der zu messenden Ober fläche des thermisch belasteten Elements und wandelt sie in ein proportionales elektrisches Signal um. Die Auswertung des Photostroms läßt bei bekanntem Emissionsgrad des Mate rials des thermisch belasteten Elements auf die Oberflä chentemperatur zurückschließen. Der Emissionsgrad ist jedoch abhängig von der Temperatur und der Wellenlänge. Die Auslegung des linear arbeitenden Pyrometers und die Auswahl der Meßwellenlänge richtet sich nach der Höhe des zu erwar tenden Signals und der Energieverteilung der Strahlungs quelle. Ein Maß für die Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die spektrale Strahldichte, die nach der Plank′schen Strahlungsformel berechnet werden kann. Die Kombination von schmalbandiger Filtereinrichtung und opto- elektronischem Detektor mit linearem Ansprechverhalten ermög licht eine linearisierte Vorrichtung zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen.

Bei einem Temperaturbereich von 1000°C bis zu 3300°C ergibt sich bei einer effektiven Meßwellenlänge von ca. 630 nm ein ausreichend starkes Signal und eine ausreichende Linearität. Die Ausfilterung dieses Wellenlängenbereichs erfolgt durch die Filtereinrichtung mit einer Bandbreite von ca. 4 nm. Durch die Auswahl der geeigneten Meßwellen länge bzw. Meßwellenlängenbereichs mit geringer Bandbreite wird erreicht, daß ein linearer Zusammenhang zwischen ein fallender Intensität und Detektorausgangssignal über einen weiten Temperaturbereich erhalten bleibt. Damit ist im Bereich von 1000 bis 3300°C eine sehr genaue Temperaturbe stimmung mit einer Fehlertoleranz von wenigen Grad Celsius möglich. Der zur Ermittlung der Temperatur aus der gemesse nen Intensität erforderliche effektive spektrale Emissions grad kann vorteilhaft durch eine Kalibrierung bei einer einzigen Temperatur in situ bestimmt werden.

Der Einsatzbereich dieser berührungslos messenden Vor richtung ist aber nicht nur auf die Temperaturmessung an Hitzeschutzsystemen von Raumfahrzeugen beschränkt, sondern der Einsatzbereich kann sich vorteilhaft über all jene Meß stellen erstrecken, bei denen hohe Temperaturen an ruhenden oder bewegten thermisch belasteten Elementen bestimmt wer den sollen. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrich tung zur Temperaturmessung an Keramikkomponenten in der Motorentechnologie, an Bremsscheiben in der Luftfahrt- und Automobilindustrie und an Turbinenschaufeln von Flugtrieb werken oder Energieerzeugungsanlagen eingesetzt werden, da die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zum Einsatz bei beengten Raumverhältnissen und schwer zugänglichen Stellen konzipiert ist. Weitere besondere Anwendungsgebiete, bei denen alle anderen Temperaturmeßverfahren versagen, sind berührungslose Temperaturmessungen in Brennkammern und an Lichtbögen.

Die Filtereinrichtung weist drei Glasfilter der Firma Schott auf, wobei das erste Filter ein KG5, ionengefärbtes Glas, das zweite Filter ein BG18, ionengefärbtes Glas, und das dritte Filter ein RG610, Anlaufglas ist. Weiterhin ist das erste Filter gemäß Anspruch 3 4 mm, das zweite Filter 1 mm und das dritte Filter 3 mm dick. Diese Filtereinrich tung bzw. diese Farbglaskombination der Filtereinrichtung erfüllt vorteilhaft die für die erfolgreiche Linearisierung des Pyrometers notwendigen Kriterien. Die Filtereinrichtung zeigt eine optimale Blockung im Sperrbereich, eine mög lichst geringe Langzeitveränderung, sie ist sehr homogen bezüglich der spektralen Transmission und der Brechzahl, sie weist einen möglichst geringen linearen Ausdehnungs koeffizienten bei Temperaturen zwischen -30°C und 70°C auf. Darüber hinaus zeigt diese Filtereinrichtung fast keine Veränderung des spektralen Transmissionsgrades auf Grund von Temperaturänderungen, wobei sich der Meßwellen längenbereich von ungefähr 600 nm bis 660 nm erstreckt und die resultierende Halbwertsbreite ca. λ_HWB 40 nm beträgt.

Die Verwendung dieser Filterkombination zusammen mit dem linear ansprechenden opto-elektronischen Detektor ermöglicht einen wesentlich verbesserten linearen Zusammen hang zwischen der einfallenden Strahlung und dem abgegebe nen Spannungssignal, welches somit proportional zur zu bestimmenden Temperatur ist. Man erhält damit ein lineari siertes Pyrometer, das bei einer effektiven Meßwellenlänge von ungefähr 630 nm in einem Temperaturbereich von 1000°C bis 3300°C Temperaturen bis auf wenige Grad Celsius genau bestimmen kann.

Die Reihenfolge der einzelnen Filter der Filtereinrich tung wurde so gewählt, daß nur zulässige Temperaturgradien ten auftreten. Das KG5-Filterglas weist den kleinsten linearen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Einsatztem peratur T_max auf und kann beispielsweise zur Erhöhung der Biegezugfestigkeit thermisch vorgespannt bzw. gehärtet wer den, um einen besseren Schutz gegen große Temperaturunter schiede im Glas auf Grund möglicher geringerer Wärmeleitfä higkeit oder gegen plötzliche Temperaturänderungen zu gewährleisten. Die Filtergläser BG18 und RG610 können bei spielsweise mit Epoxidharz verkittet werden, um uner wünschte optische Effekte, wie beispielsweise zusätzliche Brechungen oder Spiegelungen an Luft- oder Gaseinschlüssen zu vermeiden.

Die Temperatur der Photodiode kann für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beispielsweise in Plasma windkanälen, durch die Verwendung von Peltier-Elementen mit einer gesamten Leistung von beispielsweise 10 W auf ca. 15°C stabilisiert werden. Damit werden vorteilhaft Schwan kungen des Photostroms infolge Temperaturveränderungen ver mieden, sowie eine Reduzierung des Rauschanteils erzielt. Darüberhinaus kann damit eine mögliche Beeinflussung des Photostroms durch Wärmeenergie von der Auswerteelektronik verhindert werden.

Durch die Kopplung der zur Temperaturmessung verwende ten elektromagnetischen Strahlung von einer Meßstelle des thermisch belasteten Elements zu einem linear arbeitenden Pyrometer mittels eines Lichtwellenleiters ist es möglich, auch unter räumlich beengten Verhältnissen zu messen.

Mit Hilfe einer solchen erfindungsgemäßen Meßvorrich tung ist es auch möglich, die Temperatur im Hitzeschutz schild bzw. in den einzelnen Kacheln des Hitzeschutzschilds eines Raumfahrzeugs kontinuierlich während des Eintritts in eine Atmosphäre oder des Wiedereintritts in die Erdatmo sphäre zu überwachen.

Gemäß Anspruch 5 kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die elektromagnetische Strah lung von einer Mehrzahl von Meßstellen über eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern zu einer gemeinsamen Multiplexein richtung geführt werden, und von der gemeinsamen Multiple xeinrichtung zum gemeinsamen Pyrometer mit dem darin ange ordneten opto-elektronischen Detektor und der mit diesem verbundenen Auswerteelektronik weitergeleitet werden. Damit ist es vorteilhaft möglich die Meßstrahlung von einer Mehr zahl von Meßstellen mit nur einem Pyrometer zu erfassen und weiterzuverarbeiten. Mit Hilfe der Multiplexeinrichtung kann das Strahlungssignal der jeweils gewünschten Meßstelle gezielt ausgewählt und an das Pyrometer weitergeleitet wer den. Durch den Einsatz einer Multiplexeinrichtung kann wei terhin der Energieverbrauch der Vorrichtung gesenkt werden, da nur ein Pyrometer mit der zugehörigen Elektronik zur Temperaturbestimmung benötigt wird. Darüber hinaus ist damit eine Reduzierung des Gesamtgewichts und des Gesamtvo lumens der Vorrichtung bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Meßstellenanzahl möglich. Vorteilhafterweise kann somit in einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vielzahl von Signalen verschiedener Meßstellen über jeweils einen Lichtwellenleiter zu jeweils einem Detektor geleitet werden. Jeder Detektor verfügt über eine eigene Verstärker elektronik, aber alle Detektoren weisen eine gemeinsame Peltier-Temperaturregelung auf. Die Daten jeder einzelnen Verstärkerelektronik, d. h. die Temperaturen der einzelnen Meßstellen werden sequentiell oder parallel gespeichert. In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann eine Vielzahl von Strahlungssignalen verschiedener Meßstel len über eine Vielzahl von Detektoren mit einem gemeinsamen Verstärker verarbeitet werden. Das Multiplexen kann dabei nach dem Detektor stattfinden. Bei der Abspeicherung der Temperaturdaten gibt ein zusätzlicher Kanal darüber Auf schluß welcher Detektor zu welchem Datenpunkt bzw. Meß stelle gehört. Eine andere vorteilhafte Variante der Erfin dung kann eine Vielzahl von Signalen verschiedener Meßstel len über einen gemeinsamen Detektor und eine gemeinsame Auswerteelektronik mit dem zugeordneten Verstärker auswer ten. Das Multiplexen findet dabei bereits vor dem Detektor statt. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil der größtmögli chen Reduzierung der einzusetzenden optischen und/oder opto-elektronischen Komponenten.

Gemäß Anspruch 6 ist zwischen dem optischen Eingang des Pyrometers und dem ihm zugewandten Ende der Lichtwellenlei ter eine Linseneinrichtung angeordnet, welche die aus den Lichtwellenleitern austretende Strahlung auf das gemeinsame Pyrometer abbildet. Um eine möglichst kompakte Bauform zu erzielen, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform eine symmetrische Bikonvex-Linse eingesetzt, die für die Abbil dung im Maßstab 1 : 1 am geeignetsten erscheint, und welche möglichst geringe Abbildungsfehler aufweist. Um eine weit gehend fehlerfreie Abbildung zu erzielen können Achromaten verwendet werden, wobei diese Filter im Bereich des paral lelen Strahlengangs plaziert werden sollten. Wird die Lin seneinrichtung während der Messungen hohen Wärmeströmen mit starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, können dabei infolge thermischer Ausdehnungen hohe Druckspannungen in der Linseneinrichtung entstehen. In solch einem Fall kann für die verwendeten Linsen Quarzglas vorzuziehen sein. Die Lagerung der Linse kann vorteilhaft nach opto-mechanischen Kriterien erfolgen, um zu gewährleisten, daß die Druckspan nungen im Glas, beispielsweise durch einen an die Linsen halterung angepaßten Tangentenkontakt, minimiert werden. Die Linsenoberfläche kann vorteilhaft mit einer Breitband entspiegelung behandelt werden, welche eine sehr geringe Restreflexion ermöglicht und Mehrfachreflexionen weitgehend unterdrückt. Zum Schutz der optischen Komponenten der Vor richtung beim Einsatz in Versuchsanlagen wie z. B. Plasma windkanälen kann im Falle einer totalen Erosion des ther misch belasteten Elements ein leicht zu wechselndes Quarz glas, beispielsweise Herasil 301, als Zwischenfenster im Strahlengang vorgesehen werden.

Gemäß Anspruch 7 können mittels einer Multiplex-Ein richtung die optischen Signale aus den einzelnen Lichtwel lenleitern selektiv dem Pyrometer zugeführt werden. Die Unteransprüche 8 bis 12 beziehen sich auf bevorzugte Aus führungsformen dieser Multiplex-Einrichtung.

Gemäß Anspruch 13 sind die den Meßstellen zugewandten Enden der Lichtwellenleiter in ein thermisch belastetes Element eingebaut. Damit kann vorteilhaft eine zusätzliche optische Einkoppeleinrichtung mit Gehäuse und darin ange ordneten Linsen sowie einem Eingang für die Strahlung und einem Ausgang für den Anschluß des Lichtwellenleiters ent fallen, da bei entsprechender Auswahl des Lichtwellenlei ters und bei exakter Bearbeitung der Stirnfläche des Licht wellenleiters die Strahlung direkt durch die Stirnfläche des Lichtwellenleiters eingekoppelt werden kann, ohne daß nennenswerte Verluste in Kauf genommen werden müßten.

Der Lichtwellenleiter ist dabei gemäß Anspruch 14 in Richtung der Flächennormalen des thermisch belasteten Ele ments orientiert. Damit ist vorteilhaft sichergestellt, daß ein größtmöglicher Querschnitt, im Idealfall die gesamte Stirnfläche des Lichtwellenleiters zu Aufnahme der Strah lung zur Verfügung steht.

Gemäß Anspruch 15 sind in einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung die einzelnen thermisch belasteten Elemente bzw. Kacheln des Hitzeschutzschildes im Bereich der Meßstellen verdickt ausgeführt. Somit kann die Gefahr der Zerstörung des Hitzeschutzschildes bei starker Erosion, die im Bereich der Meßstellen infolge der dort eingebrach ten Bohrungen relativ groß sein kann, verringert werden. Das Risiko der Zerstörung der Kacheln und damit des Hitze schutzschildes kann somit ausreichend klein gehalten wer den.

Die Lichtwellenleiter sind gemäß Anspruch 16 in Bohrun gen im thermisch belasteten Element eingebaut. Dies bietet den Vorteil, daß die Bohrungen zur Aufnahme der Lichtwel lenleiter nachträglich, d. h. nach Fertigstellung des zu untersuchenden Elements, exakt an den Stellen plaziert wer den können, an denen Temperaturmessungen erfolgen sollen. Zudem ist bei entsprechender Ausgestaltung der Bohrung ein sehr genauer Sitz der Lichtwellenleiter gewährleistet.

In dem thermisch belasteten Element ist der Lichtwel lenleiter gemäß Anspruch 17 bogen-, mäander- und/oder spi ralförmig angeordnet. Damit können mögliche auftretende Zugbelastungen des Lichtwellenleiters von der Meßstelle ferngehalten werden. Darüber hinaus können Längenausdehnun gen des Lichtwellenleiters infolge Temperaturschwankungen kompensiert werden.

Die Filtereinrichtung des Pyrometers kann gemäß Anspruch 18 auch vier und mehr Glasfilterelemente aufwei sen. Damit können vorteilhaft Störeinflüsse oder Hohlraum effekte, die bei einer weiteren Miniaturisierung des Pyro meters oder der Multiplexeinrichtung auftreten können, aus gefiltert werden.

Gemäß Anspruch 19 ist zwischen der Bohrung im thermisch belasteten Element und dem Lichtwellenleiter eine Hülse aus hochtemperaturbeständigem Material angeordnet. Die Hülse kann somit den Lichtwellenleiter aufnehmen und den opti schen Weg der Strahlung auch bei teilweiser Erosion des thermisch belasteten Elements freihalten sowie den Licht wellenleiter vor Erosions- und Ablationsprodukten schützen. Die Unteransprüche 20 und 21 beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen dieser Kombination aus Bohrung, Hülse und Lichtwellenleiter.

Die Lichtwellenleiter verfügen gemäß Anspruch 22 über eine Antiknickeinrichtung, die sicherstellt, daß die Licht wellenleiter nicht stärker gekrümmt werden als erlaubt, um eine mechanische Zerstörung der Lichtwellenleiter zu ver hindern und zu gewährleisten, daß keine unerwünschten Lei tungsverluste auftreten.

Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu den Grundlagen der Pyrometrie wird auf die Dissertation von Herrn . . . Loesener . . . , Kapitel Grundlagen, Seiten 7 bis 31 ver wiesen. Hinsichtlich Details des linear arbeitenden Pyrome ters wird auf Kapitel 3, Seiten 31 bis 53 dieser Disserta tion vollinhaltlich Bezug genommen.

Verfahrenstechnisch wird diese Aufgabe durch die Merk male des Anspruchs 23 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläu terten beispielhaften Ausführungsformen.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den prinzipiellen Aufbau des linear arbeitenden Pyrometers;

Fig. 2 schematisch eine Meßanordnung mit einer Mehrzahl von Meßstellen, die in einem thermisch belasteten Element, insbesondere in einem Hitzeschutzschild, angeord net sind;

Fig. 3 schematisch eine erste Variante der Multi plexeinrichtung in Form eines opto-mechanischen Choppers;

Fig. 4 schematisch eine zweite Variante der Multi plexeinrichtung in Form eines opto-mechanischen Choppers;

Fig. 5 schematisch eine dritte Variante der Multi plexeinrichtung in Form eines magneto-optischen Choppers;

Fig. 6 schematisch eine vierte Variante der Multi plexeinrichtung in Form eines magneto-mechanischen Chop pers; und

Fig. 7 schematisch eine fünfte Variante der Multi plexeinrichtung in Form eines elektro-optischen Choppers.

In den Figuren sind für Bauelemente unterschiedlicher Ausführungsformen, die einander jedoch funktional entspre chen, identische Bezugszeichen verwendet.

Den prinzipiellen Aufbau des linear arbeitenden Pyrome ters verdeutlicht Fig. 1. Das Pyrometer 1 verfügt über einen opto-elektronischen Detektor 2, der hier als Photodi ode ausgebildet ist. Diesem sind ein Verstärker 4, eine Meßbereichsregelung 6, eine Peltierregelung 8 und eine Datenschnittstelle 10 zugeordnet. Die Photodiode 2 empfängt die Strahlung von einer nicht näher dargestellten Meßstelle und gibt in linearer Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung ein Meßsignal aus. Mit Hilfe der Meßbereichsrege lung 6 kann der gewünschte Meßbereich gewählt werden. Der Verstärker 4 verstärkt das Meßsignal der Photodiode 2, wel che mit Hilfe der Peltierregelung 8 auf konstanter Tempera tur gehalten wird. Das verstärkte Meßsignal kann über die Datenschnittstelle 10 zur Auswertung weitergeleitet werden.

In Fig. 2 ist schematisch eine Meßanordnung mit einer Mehrzahl von Meßstellen 20 dargestellt, die jeweils in die ser gezeigten Ausführungsform in Verdickungen 22 eines thermisch belasteten Elements 24, insbesondere eines Hitze schutzschildes der Dicke d, angeordnet sind. Von diesen einzelnen Meßstellen 20 führen Lichtwellenleiter 26 zu einer Multiplex-Einrichtung 28, mit der die Signale aus den Lichtwellenleitern 26 einzeln und selektiv dem linear arbeitenden Pyrometer 1 zugeführt werden. Das Pyrometer 1 entspricht in seiner Arbeitsweise dem in Fig. 1 beschriebe nen Pyrometer 1 und verfügt über eine Photodiode 2. Vor der Photodiode 2 ist im Strahlengang eine Filtereinrichtung 30 angeordnet. Die Multiplexeinrichtung 28 ist hier als ein opto-mechanischer Chopper ausgebildet, der eine Halterung 32 aufweist, in der Linseneinrichtungen 34 angeordnet sind, um die Strahlung der Meßstellen 20 von den Enden der Licht wellenleiter 26 zur Photodiode 2 zu lenken bzw. zu fokus sieren. Der Halterung 32 ist eine rotierende Lochblende 36 zugeordnet, welche die Strahlung jeweils einer Meßstelle 20 zur Photodiode 2 durchläßt und die Strahlung der anderen Meßstellen 20 blockiert.

In Fig. 3 ist schematisch eine erste Variante der Mul tiplexeinrichtung 28 in Form eines opto-mechanischen Chop pers gezeigt. Dieser opto-mechanische Chopper weist einen Schrittmotor 40 auf, der eine Welle 42 rotierend antreibt. Am Ende der Welle 42 ist eine Spiegeleinrichtung 44, bei spielsweise ein Spiegelprisma 46 so angeordnet, daß es mit der Welle 42 mitrotieren kann und dessen Spiegelachse bzw. Flächennormale der Spiegelfläche unter einem Winkel von 45° zur Längsachse der Welle 42 orientiert ist, wobei die Spie gelachse die Längsachse der Welle 42 schneidet. Damit kön nen die Strahlengänge von einer Mehrzahl von Lichtwellen leitern 26, deren Endbereiche strahlenförmig radial um die rotierbare Spiegeleinrichtung 44 angeordnet sind, in Rich tung der Längsachse der Welle 42 gespiegelt bzw. weiterge leitet werden. Eine Filtereinrichtung 30 und eine Linsen einrichtung 34 sind der Spiegeleinrichtung 44 in Richtung der Längsachse der Welle 42 vor einem Pyrometer 1 mit dem daran angeordneten opto-elektronischen Detektor 2, bei spielsweise einer Photoelektrode nachgeordnet. Der Takt des Schrittmotors 40 kann mit der Datenaufzeichnung synchroni siert werden. Diese Variante erlaubt eine Verarbeitung der Strahlungssignale von mehr als zwei Meßstellen bzw. Licht wellenleiter.

Eine zweite Variante der Multiplexeinrichtung 28 ist in Form eines opto-mechanischen Choppers in Fig. 4 schematisch dargestellt. Dieser opto-mechanische Chopper weist einen Schrittmotor 40 auf, der eine Welle 42 rotierend antreibt. Am Ende der Welle ist eine Spiegeleinrichtung 44, bei spielsweise eine Drehscheibe 48 mit zwei Spiegelprismen 50, 52 so angeordnet, daß sie mit der Welle 42 mitrotieren kann. Dabei sind die Drehscheibe 48 und die Welle 42 kon zentrisch zueinander ausgerichtet. Das eine Spiegelprisma 50 befindet sich im Zentrum der Drehscheibe 48, wobei des sen Spiegelachse bzw. Flächennormale der Spiegelfläche un ter einem Winkel von 45° zur Längsachse der Welle 42 orien tiert ist und die Längsachse der Welle 42 von der Spiegel achse geschnitten wird. Das zweite Spiegelprisma 52 ist am Rand der Drehscheibe 48 angeordnet, wobei dessen Spiegel achse parallel zur Spiegelachse des ersten Spiegelprismas ausgerichtet ist. Damit können die Strahlengänge von einer Mehrzahl von Lichtwellenleitern 26, deren Endbereiche ent lang eines gedachten Zylinders in Zylinderlängsrichtung angeordnet sind, wobei der gedachte Zylinder den selben Radius aufweist, wie der Abstand der beiden Spiegelprismen 50, 52 beträgt, in Richtung der Längsachse der Welle 42 gespiegelt bzw. weitergeleitet werden. Eine Filtereinrich tung 30 und eine Linseneinrichtung 34 sind der Spiegelein richtung 44 in Richtung der Längsachse der Welle 42 vor einem Pyrometer 1 mit dem daran angeordneten opto-elektro nischen Detektor 2, beispielsweise einer Photoelektrode nachgeordnet. Der Takt des Schrittmotors 40 kann mit der Datenaufzeichnung synchronisiert werden. Diese Variante erlaubt eine Verarbeitung der Strahlungssignale von mehr als zwei Meßstellen bzw. Lichtwellenleitern.

In Fig. 5 ist schematisch eine dritte Variante der Mul tiplexeinrichtung 28 in Form eines magneto-optischen Chop pers gezeigt. Beispielsweise wird am Austrittsende eines ersten Lichtwellenleiters 26 mit Hilfe eines ersten im Strahlengang angeordneten Polarisators 54 das Licht bzw. die Strahlung vertikal und bei einem zweiten Lichtwellen leiter 26 mit Hilfe eines zweiten im Strahlengang angeord neten Polarisators 54 die Strahlung horizontal polarisiert. Die Strahlengänge der beiden Lichtwellenleiter 26 sind so unter einem Winkel in einer Ebene zueinander orientiert, daß sie mit einem Umlenkprisma 56 zu einem gemeinsamen Strahl zusammengefaßt werden können, der in Richtung des Pyrometers 1 zeigt. Nach dem Umlenkprisma 56 sind in dem gemeinsamen Strahlengang wenigstens zwei magneto-optische Polarisatoren 58 mit daran angeordneten Magnetspulen 60 ein weiterer Polarisator 62, die Filtereinrichtung 30 und die Linseneinrichtung 34 nacheinander angeordnet. Die beiden magneto-optischen Polarisatoren 58 drehen die Polarisati onsebene bei Erzeugung eines Magnetfeldes infolge an die Spulen 60 angelegter Spannung einer Stromquelle 64 bzw. durch den Stromfluß I in den Magnetspulen, um jeweils 45° um, insgesamt also um 90°. Fließt kein Strom I durch die Magnetspulen 60, so wird die Polarisationsebene nicht gedreht und das Licht bzw. die Strahlung des ersten Licht wellenleiters 26 kann bis zum opto-elektronischen Detektor 2 vordringen, während das Licht des zweiten Lichtwellenlei ters 26 durch den Polarisator 62 vor der Filtereinrichtung 30 blockiert wird. Bei Drehung der Polarisationsebene wird entsprechend das Licht vom zweiten Lichtwellenleiter 26 durchgelassen und vom ersten Lichtwellenleiter 26 blockiert. Die Erzeugung des Magnetfeldes kann mit der Datener fassung synchronisiert werden.

Eine vierte Variante der Multiplexeinrichtung 28 in Form eines magneto-mechanischen Choppers ist schematisch in Fig. 6 erläutert. Zwei Lichtwellenleiter 26 sind in einer Ebene parallel zueinander angeordnet und enden näherungs weise auf gleicher Höhe. Ein Magnetstab 66, beispielsweise ein Permanentmagnetstab schwingt im Wechselfeld einer daran angeordneten Magnetspule 68 in der Ebene der Lichtwellen leiter 26. Der Magnet 66 selbst und/oder Blenden 70, die an seinen Enden angeordnet und in Längsrichtung des Magneten 66 orientiert sind, verdeckt(en) durch seine (ihre) Hin- und Her-Bewegung abwechselnd den Strahlengang des einen oder des anderen Lichtwellenleiters 26 und gibt (geben) dement sprechend abwechselnd den Strahlengang des anderen oder des einen Lichtwellenleiters 26 frei. Eine Filtereinrichtung 30, ein Umlenkprisma 72 und eine Linseneinrichtung 34 sind in jedem Strahlengang nach dem Magnet 66 angeordnet, so daß die Strahlung vom Lichtwellenleiter 26 zum opto-elektroni schen Detektor 2 bzw. zur Photodiode geführt werden kann. Die Schwingung des Magnetstabes 66 kann mit der Datenauf zeichnung synchronisiert werden.

In Fig. 7 ist schematisch eine fünfte Variante der Mul tiplexeinrichtung 28 in Form eines elektro-optischen Chop pers gezeigt. Eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern 26 ist parallel zueinander zu einem Lichtwellenleiterbündel 74 angeordnet, wobei die einzelnen Strahlengänge parallel zur Flächennormalen des opto-elektronischen Detektors 2 bzw. der Photodiode ausgerichtet sind. Am Austrittsende der Lichtwellenleiter 26 ist ein optisches Element 76 mit abschnittsweise regelbarer Transmissivität, beispielsweise ein LCD-Array angeordnet, wobei dessen Flächennormale eben falls parallel zu den Strahlengängen orientiert sein kann. Die Filtereinrichtung 30 und die Linseneinrichtung 34, hier eine Sammellinse, sind dem LCD-Array nachgeordnet, wobei die Linseneinrichtung 34 die Vielzahl der parallelen Strah lengänge auf die Photodiode 2 näherungsweise fächer- oder kegelförmig bündelnd abbildet. Das LCD-Array 76 kann abschnitts- oder feldweise verdunkelt werden. Zunächst wer den alle Felder 78 des LCD-Arrays 76 verdunkelt. Danach können anschließend die Felder 78 einzeln nacheinander deaktiviert und damit durchlässig gemacht werden und anschließend wieder aktiviert und damit undurchlässig geschaltet werden. Falls die Abschwächung durch die Verdun kelung eines LCD-Arrays 76 nicht ausreichend ist, können mehrere LCD-Arrays 76 hintereinander angeordnet und mit Hilfe einer LCD-Steuerung angesteuert werden. Damit kann aus einer Vielzahl von Lichtwellenleitern 26 gezielt ein Lichtwellenleiter 26 angewählt werden. Das Schalten der Felder 78 auf Durchlaß oder Sperren kann mit der Datenauf zeichnung synchronisiert werden.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, sind vielfache Abwandlungen bzw. Abänderungen der dargestellten Ausfüh rungsform möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas sen.

So kann hier die Auswerteelektronik zur Ermittlung der Temperatur durch das Prinzip der Transimpedanzschaltung realisiert werden. Als opto-elektronischer Detektor bzw. als Signalquelle der Schaltung dient eine Silizium-Photodi ode. Es können vier verschiedene Meßbereiche, beispielswei se zwischen 10^-10 A und 10^-6 A, gewählt werden. Die Meßbe reichsumschaltung kann mittels Reed-Relais erfolgen, wobei ein Gegenkopplungswiderstand ständig geschaltet ist und die anderen Widerstände einzeln dazu parallel geschaltet werden können.

Claims

1. Vorrichtung zur pyrometrischen Messung hoher Temperatu ren, mit
einem bei einer bestimmten Meßwellenlänge arbeitenden Pyrometer (1), das einen opto-elektronischen Detektor (2) mit linearem Ansprechverhalten und eine Auswerte elektronik zur Ermittlung der Temperatur aufweist,
wenigstens einem Lichtwellenleiter (26) zum Leiten der Temperaturstrahlung von einer Meßstelle (20) zu dem Pyrometer (1), und
einer optischen Filtereinrichtung (30) zum Ausfiltern eines schmalen Meßwellenlängenbereichs, wobei die opti sche Filtereinrichtung (30) zwischen dem wenigstens einen Lichtwellenleiter (26) und dem Pyrometer (1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (30) des Pyrometers (1) ein erstes, ein zweites und ein drittes Glasfilter der Firma Schott aufweist, wobei das erste Filter ein KG5, ionengefärbtes Glas, das zweite Filter ein BG18, ionen gefärbtes Glas, und das dritte Filter ein RG610, Anlaufglas ist, und daß die effektive Meßwellenlänge bei ca. 630 nm mit einer Halbwertsbreite von bis zu 40 nm liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ersten Filters 4 mm, daß die Dicke des zweiten Filters 1 mm, und daß die Dicke des dritten Filters 3 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer (1) und insbesondere der opto-elektronische Detektor (2) gekühlt sind.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern (26) die elektromagnetische Strahlung von einer Mehrzahl von Meßstellen (20) zu einer Multiplexeinrichtung (28) leiten, wobei die Multiplexeinrichtung (28) wahlweise wenigstens einen bestimmten Lichtwellenleiter (26) der Mehrzahl der Lichtwellenleiter (26) mit dem linear arbeitenden Pyro meter (1) koppelt.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem optischen Eingang des Pyrometers (1) und dem ihm zuge wandten Ende der Lichtwellenleiter (26) eine Linsenein richtung (34) angeordnet ist, welche die aus den Licht wellenleitern (26) ausgetretene Strahlung auf das gemeinsame Pyrometer (1) abbildet.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexeinrichtung (28) ein optischer oder mechanischer Chopper, insbeson dere in Form einer drehbar angeordneten Lochblende (36) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexeinrichtung (28) ein elektro-optischer Chopper ist, welcher wenigstens ein optisches Element (76), insbesondere ein LCD-Array auf weist, dessen Transmissivität elektrisch regelbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexeinrichtung (28) ein mechano-optischer Chopper ist, der die aus den Licht wellenleitern (26) austretende Strahlung mittels wenig stens einer rotierenden Spiegeleinrichtung (44), insbe sondere eines rotierenden Spiegelprismas (46), auf das gemeinsame Pyrometer (1) lenkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mechano-optische Chopper über einen Schrittmo tor (40) und eine Drehscheibe (48) verfügt, in deren Rotationszentrum eine erste Spiegeleinrichtung (50) und an deren äußerem Umfang wenigstens eine weitere Spie geleinrichtung (52) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexeinrichtung (28) ein magneto-optischer Chopper ist, der wenigstens einen Polarisator (54) und wenigstens einen magneto- optischen Isolator (58) aufweist, um am Austrittsende eines Lichtwellenleiters (26) die austretende Strahlung zu polarisieren, damit durch Verändern der Polarisati onsebene mit Hilfe der magneto-optischen Isolatoren (58) die Strahlung eines bestimmten Lichtwellenleiters (26) ausgewählt und die Strahlung der anderen Lichtwel lenleiter (26) gesperrt werden kann.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexeinrichtung (28) eine magneto-mechanische Multiplexeinrichtung (28) ist, die wenigstens einen Magnetstab (66) und wenigstens eine dem Magnetstab (66) zugeordnete Spule (68) aufweist, wobei der Magnetstab (66) im magnetischen Wechselfeld der Spule (68) schwingt und dabei immer jeweils die Austrittsöffnung wenigstens eines Lichtwellenleiters (26) freigibt bzw. verdeckt.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Meßstel len (20) zugewandten Enden der Lichtwellenleiter (26) in ein thermisch belastetes Element (24), dessen Tempe ratur gemessen werden soll, eingebaut sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (26) näherungsweise in Rich tung der Flächennormalen der thermisch belasteten Außenfläche des Elements (24) orientiert ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das thermisch belastete Element (24) im Bereich der Meßstelle(n) (20) eine Verdickung (22) auf weist, in die der Lichtwellenleiter (26) eingebettet ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (26) in Bohrungen in dem thermisch belasteten Element (24), dessen Temperatur gemessen werden soll, eingebaut sind.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (26) in dem thermisch belasteten Element (24) bogen mäander- und/oder spiralförmig angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterein richtung (30) des Pyrometers (1) 4 und mehr Glasfilter elemente aufweist.

19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung in dem thermisch belasteten Element (24) eine Hülse auf nimmt, welche aus einem hochtemperaturbeständigen Mate rial gefertigt ist und die in ihrem von der Außenfläche des thermisch belasteten Elements (24) wegzeigenden Ende den Lichtwellenleiter (26) aufnimmt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende der Hülse, welches im thermisch belasteten Element (24) zu dessen Außenfläche hinweist ca. 0,5 bis 2 mm an die Außenfläche des thermisch bela steten Elements (24) heranreicht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hülse in die Bohrung im thermisch belasteten Element (24) eingepaßt bzw. eingepreßt und/oder geklebt oder direkt mit dem thermisch belaste ten Element (24) vergossen wird.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellen leiter (26) über eine Anti-Knickeinrichtung verfügen, wobei die Lichtwellenleiter (26) jeweils einzeln in Aluminium gehüllt und mehrere Lichtwellenleiter (26) im Bereich ihrer Endabschnitte gebündelt und von einer gemeinsamen Aluminiumhülle umfaßt sind.

23. Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen unter Verwendung einer Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.