DE4433347A1 - Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher TemperaturenInfo
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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.
Iλ ,S: spektrale spezifische Ausstrahlung des schwarzen
Körpers;
c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
h: Plank′sches Wirkungsquantum;
k: Boltzmannkonstante;
λ: Wellenlänge.
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. λHWB 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 Tmax 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 (23)
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4433347A DE4433347A1 (de) | 1993-09-17 | 1994-09-19 | Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9314117 | 1993-09-17 | ||
DE4433347A DE4433347A1 (de) | 1993-09-17 | 1994-09-19 | Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4433347A1 true DE4433347A1 (de) | 1995-06-01 |
Family
ID=6898261
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4433347A Withdrawn DE4433347A1 (de) | 1993-09-17 | 1994-09-19 | Vorrichtung und Verfahren zur pyrometrischen Messung hoher Temperaturen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4433347A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19922277A1 (de) * | 1999-05-11 | 2000-11-16 | Friedrich Schiller Uni Jena Bu | Pyrometersystem |
DE102012202024A1 (de) * | 2012-02-10 | 2013-08-14 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Kochgerät |
-
1994
- 1994-09-19 DE DE4433347A patent/DE4433347A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19922277A1 (de) * | 1999-05-11 | 2000-11-16 | Friedrich Schiller Uni Jena Bu | Pyrometersystem |
DE19922277B4 (de) * | 1999-05-11 | 2004-08-26 | Virtualfab Technologie Gmbh | Pyrometer |
DE102012202024A1 (de) * | 2012-02-10 | 2013-08-14 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Kochgerät |
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