DE4434464A1

DE4434464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Innern von Heißluft-Trocknern und -Wärmebehandlungsanlagen

Info

Publication number: DE4434464A1
Application number: DE19944434464
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Pleva; Harry Dipl Ing Pleva
Original assignee: PLEVA GmbH
Current assignee: PLEVA GmbH
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1994-09-27
Publication date: 1996-05-23

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur von festen Werkstoffen, Materialien und Erzeugnissen insbesondere im Innern von Heißlufttrocknern und Wärmebehandlungs-Anlagen unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen und an Stellen, die visuell von außen nicht zugängig sind. Die mittels mehrerer auf diesem Verfahren beruhender und innerhalb der Anlage in unmittelbarer Nähe der zu messenden Oberfläche angeordneter Sensoren erhaltene Kenntnis des räumlichen und zeitlichen Temperaturprofils des zu behandelnden Materials ist neben anderen Prozeßparametern eine wichtige Voraussetzung zur optimierten Prozeßführung im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Qualitätssicherung.

Zum Stand der Technik

Es ist bekannt, daß mittels außerhalb der Anlage angeordneter handelsüblicher Strahlungspyrometer durch eine Öffnung oder ein strahlungsdurchlässiges Fenster die zu messende Oberfläche anvisiert und deren Temperatur gemessen wird. Dies erfordert jedoch eine optische und für die Strahlung durchlässige Sichtverbindung von außen, die nur in Sonderfällen gegeben ist. Außerdem sind dabei als zusätzliche Aufwendungen zur Verhinderung von Kondensations- und Sublimationseffekten und zum Wärmeschutz der Pyrometer-Optik und -Elektronik die Installation einer Querluftsperre und von Kühlungs vorrichtungen erforderlich. Die Messung kann dennoch aufgrund des relativ großen Abstandes zwischen Meßobjekt und Pyrometer durch strahlungsabsorbierende Gase, Dämpfe oder Aerosole erheblich gestört werden. Weitere Störfaktoren sind der meist unbekannte Emmissionsgrad des Meßobjektes im Hinblick auf die Reflexion von Fremdstrahlung und bei Anwendung von Fenstern deren spektrale Absorptionseigenschaften und der damit verbundenen Eigenstrahlung. Strahlungspyrometer sind aufwendig und dementsprechend teuer, so daß der Einsatz mehrerer Geräte, wie dies zur Messung des Temperaturprofils erforderlich ist, meist wirtschaftlich nicht vertretbar ist.

Weiterhin ist bekannt, daß zur Prozeßkontrolle in Bahntrocknern mehrere einfache Tempertursensoren z. B. als Thermoelemente längs der Bahn nacheinander direkt auf der Bahn schleifend, in geringem Abstand darüber oder im Abluftstrom angeordnet werden können (Textilbetrieb, 1981, H. 4, S. 55; Patentschrift DE 27 21 965 und DDR- Patentschrift 2 09 487). Dies ermöglicht nur eine tendenzmäßige Kontrolle der Temperatur bzw. indirekt des Feuchtezustandes des Gutes, während der für bestimmte chemische bzw. physikalisch-chemische Vorgänge wichtige Temperaturverlauf damit nicht hinreichend genau meßbar ist.

Als Sensoren zur Strahlungstemperaturmessung im infraroten Spektralbereich sind miniaturisierte, in Dünnschichttechnologie hergestellte Thermoelement-Säulen (DE 34 38 764, DE 41 02 524), Widerstandsthermometer (DE 35 36 133, DE 39 00 983) und auf dem photoelektrischen Effekt beruhende Halbleiter-Elemente bekannt. Die Anwendung dieser Systeme ist jedoch aus materialtechnischen Gründen bei hohen Umgebungstemperaturen, wie sie im Innern von Wärmebehandlungs-Anlagen üblich sind, nicht möglich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Inneren von Heißluft-Trocknern und -Wärmebehandlungsanlagen zu schaffen, ohne daß die im vorangehenden angeführten Nachteile vorliegen.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung beruht auf dem physikalischen Sachverhalt, daß aus den Meßwerten T₁ und T₂ zweier Temperatursensoren 1 und 2, die nebeneinander im Strom des gasförmigen Behandlungsmediums (Luft) angeordnet und allseitig dem Temperatur-Strahlungsfeld des zu messenden Materials 4 ausgesetzt sind, die Temperatur T_M dieses Materials unter folgenden Bedingungen errechnet werden kann:

a) die Emissionsfaktoren der sensitiven Oberflächen der beiden Sensoren sind bekannt, untescheiden sich signifikant und sind von Null verschieden (ε₁<ε₂<0);
b) die Eigenschaften bezüglich des konvektiven und konduktiven Wärmeüberganges der sensitiven Oberflächen der beiden Sensoren sind gleich;
c) die Temperatur des Behandlungsmediums (Luft) ist bekannt,

wie aus folgenden Betrachtungen hervorgeht:

Für den konvektiv und konduktiv bedingten Wärmestrom N_L zwischen der Sensoroberfläche der Größe A und der Temperatur T und dem Behandlungsmedium mit der Temperatur T_L gilt

N_L = α A (T_L-T) (1)

und für den radiativen Wärmeenergiestrom zwischen der Sensoroberfläche der Temperatur T und der Oberfläche des den vergleichsweise kleinen Sensor großflächig umgebenden Materials der Temperatur T_M gilt die Beziehung

N_S = ε A C_s (T⁴-T_M⁴) (2)

Dabei ist α die von der materialmäßigen und strukturellen Beschaffenheit der sensitiven Oberfächen der Temperatursensoren 1 und 2 und der Strömungsgeschwindigkeit der Trocknungsluft abhängige Wärmeübergangszahl und C_S = 5,67_*10^-8 W/m²K⁴ die Strahlungszahl des schwarzen Körpers.

Da im stationären Fall für jeden der beiden Temperatursensoren N_L = N_S ist, ergibt sich unter den Voraussetzungen a bis c die Verhältnisgleichung

Hieraus ist ersichtlich, daß die Materialtemperatur T_M eindeutig aus den meßbaren und in absoluten Temperatureinheiten (Grad Kelvin) anzusetzenden Werten T₁, T₂, T_L und aus dem als bekannt vorausgesetzten Verhältnis der Emissionsfaktoren der sensitiven Oberflächen der beiden Temperatursensoren 1 und 2 berechenbar ist.

Die Messung der Temperatur T_L des Behandlungsmediums wird in bekannter Weise mit einem Temperatursensor 3 realisiert, der eine strahlungsreflektierende Oberfläche besitzt, und sich innerhalb eines parallel zum Luftstrom angeordneten, als Strahlungsschirm dienenden Rohres 7 mit ebenfalls strahlungsreflektierenden Oberflächen befindet. Zur Erhöhung der meßtechnischen Zuverlässigkeit wird erfindungsgemäß mindestens ein weiterer Temperatursensor im Feld der zu messenden Strahlung angeordnet, dessen Eigenschaften in bezug auf den konduktiven und konvektiven Wärmeübergang mit denen der Sensoren 1 und 2 übereinstimmt, dessen Emissionsfaktor aber abweicht. Die meßtechnische Information dieses Sensors wird in gleicher Weise verarbeitet und dient als Kontrollgröße.

Für den Fall, daß das Material, dessen Oberflächentemperatur zu messen ist, die strahlungsempfindlichen Temperatursensoren nicht allseitig umschließt, oder daß eine lokalisierte Temperaturmessung gefordert wird, gelingt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem nach einem weiteren Merkmal der Erfindung jeder der strahlungsempfindlichen Sensoren gemäß Fig. 2 innerhalb mindestens zweier zur Meßfläche 4 hin offener Hohlräume 5 angeordnet ist, deren innere Oberfläche verspiegelt ist. Die vorzugsweise halbkugelförmig ausgebildeten Hohlräume und die Temperatursensoren sind in bezug auf das Meßobjekt, die Strömungsrichtung des Behandlungsmediums und den für die Messung der Lufttemperatur dienenden Temperatursensor 3 symmetrisch innerhalb bzw. auf einem Träger 6 positioniert. Hierbei wirkt es sich im Interesse einer hohen Meßempfindlichkeit günstig aus, daß die strahlungsempfindlichen Sensoren dem Strom des Behandlungsmediums nicht direkt ausgesetzt sind, da damit der Einfluß des konduktiven und konvektiven Wärmeüberganges zugunsten des radiativen reduziert ist.

Ausführungsbeispiel

In dem im folgenden angegebenen Ausführungsbeispiel befinden sich gemäß Fig. 2 die verspiegelten, halbkugelförmig ausgebildeten Innenflächen der Hohlräume 5 nebeneinander in der Seitenfläche eines Vierkant-Trägerstabes 6 von quadratischem Querschnitt (50 mm _* 50 mm). Der Radius R der Hohlräume beträgt 20 mm und deren gegenseitiger seitlicher Abstand 30 mm. Die als Kugel mit einem Durchmesser von 5 mm ausgebildeten sensitiven Oberflächen der Temperatursensoren 1 und 2 befinden sich innerhalb des Hohlspiegels 10 mm vor dessen Scheitelpunkt. Der Träger wird einige Zentimeter über dem zu messenden Material mit "Blickrichtung" der Sensoren zu diesem hin, z. B. im Innern eines Trockners positioniert.

Der zur Messung der Lufttemperatur dienende Temperatursensor 3, dessen sensitive Oberfläche metallisch verspiegelt ist, befindet sich in der Mitte eines innen und außen strahlungsreflektierenden Rohres 7 von 20 mm Durchmesser und 100 mm Länge. Dieses Rohr ist ebenfalls im Vierkant-Träger in der Mitte zwischen den Hohlspiegeln, aber mit seiner Achse senkrecht zur Achse der Hohlspiegel in Strömungsrichtung des Behandlungsmediums und damit senkrecht zur Strahlungsfeldrichtung montiert.

Bei im vorliegenden Anwendungsbeispiel angenommenen Werten für die Emissionsfaktoren der Sensoren 1 und 2 von ε₁ = 0,98 und ε₂ = 0,30 und den von diesen Sensoren signalisierten Temperaturwerten von T₁ = 377°K und T₂ = 390°K sowie bei der vom Sensor 3 gemessenen Lufttemperatur von T_L = 403°K ergibt sich unter Zugrundelegung der Gleichung (3) eine Materialtemperatur von T_M = 353°K (=80°C).

Die rechnerische Kontrolle unter Berücksichtigung der Formel (1) zeigt, daß die Temperaturmeßwerte mit der Voraussetzung gleicher Wärmeübergangszahlen α für die Sensoren 1 und 2 verträglich sind. Im vorliegenden Beispiel beträgt α = 10 W/m²K.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Temperaturstrahlung von festen Werkstoffen, Materialien und Erzeugnissen insbesondere unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innern von Heißlufttrocknern und Wärmebehandlungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturstrahlungsfeld des zu messenden Objektes nebeneinander zwei Temperatursensoren 1 und 2 angeordnet werden, deren strukturelle und materialmäßige Oberflächenbeschaffenheit hinsichtlich der konduktiven und konvektiven Wärmeübergangseigenschaften gleich ist, die sich aber im Emissionsfaktor unterscheiden, daß ein weiterer, gegenüber der Temperaturstrahlung des zu messenden Objektes 4 abgeschirmter Temperatursensor 3 zur Messung der Temperatur des gasförmigen Behandlungsmediums angeordnet wird, und daß aus den Meßwerten der drei Sensoren auf der Grundlage der physikalischen Gesetze des Wärmeenergieaustausches durch Strahlung, Leitung und Konvektion und der Kenntnis der Emissionseigenschaften der Temperatursensoren 1 und 2 die Oberflächentemperatur des Objektes berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erhöhung der meßtechnischen Zuverlässigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß im Feld der zu messenden Strahlung mindestens ein weiterer Temperatursensor mit gegenüber den Sensoren 1 und 2 gleichen Eigenschaften in bezug zum konduktiven und konvektiven Wärmeübergang, aber abweichendem Emissionsfaktor angeordnet wird, dessen Meßinformation in gleicher Weise wie die der Sensoren 1 und 2 als Kontrollgröße simultan ausgewertet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren 1 und 2 und gegebenenfalls weitere Temperatursensoren jeweils getrennt innerhalb von zur Oberfläche des Meßobjektes hin offenen Hohlräumen 5 angeordnet sind, die vorzugsweise halbkugelförmig ausgebildet und innen metallisch verspiegelt sind, die sich ihrerseits nebeneinander in einem Trägerelement 6 befinden, und daß ein weiterer, mit einem Strahlungsschirm versehener Temperatursensor 3 so auf dem Träger 6 angeordnet ist, daß er nicht der Temperaturstrahlung des zu messenden Materials ausgesetzt ist, aber voll vom Strom des gasförmigen Behandlungsmediums getroffen wird.