DE4434464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Innern von Heißluft-Trocknern und -Wärmebehandlungsanlagen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Innern von Heißluft-Trocknern und -WärmebehandlungsanlagenInfo
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Description
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.
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.
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 TM 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 NL zwischen der
Sensoroberfläche der Größe A und der Temperatur T und dem Behandlungsmedium mit der
Temperatur TL gilt
NL = α A (TL-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 TM gilt die Beziehung
NS = ε A Cs (T⁴-TM⁴) (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 CS = 5,67*10-8 W/m²K⁴ die
Strahlungszahl des schwarzen Körpers.
Da im stationären Fall für jeden der beiden Temperatursensoren NL = NS ist, ergibt sich
unter den Voraussetzungen a bis c die Verhältnisgleichung
Hieraus ist ersichtlich, daß die Materialtemperatur TM eindeutig aus den meßbaren und in
absoluten Temperatureinheiten (Grad Kelvin) anzusetzenden Werten T₁, T₂, TL und aus
dem als bekannt vorausgesetzten Verhältnis der Emissionsfaktoren der sensitiven
Oberflächen der beiden Temperatursensoren 1 und 2 berechenbar ist.
Die Messung der Temperatur TL 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.
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 TL = 403°K ergibt sich unter Zugrundelegung
der Gleichung (3) eine Materialtemperatur von TM = 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 (3)
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.
Priority Applications (1)
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DE19944434464 DE4434464A1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Innern von Heißluft-Trocknern und -Wärmebehandlungsanlagen |
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DE4434464A1 true DE4434464A1 (de) | 1996-05-23 |
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DE19944434464 Withdrawn DE4434464A1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung im Innern von Heißluft-Trocknern und -Wärmebehandlungsanlagen |
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DE (1) | DE4434464A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE20107105U1 (de) | 2001-04-25 | 2001-08-09 | WOBEK Oberflächenschutz GmbH, 09366 Stollberg | Anordnung zum Ausbessern von Fehlstellen |
EP1338878A2 (de) * | 2002-02-21 | 2003-08-27 | Mahlo GmbH & Co. KG | Verfahren zur Messung der Umgebungstemperatur sowie Temperaturmessanordnung |
-
1994
- 1994-09-27 DE DE19944434464 patent/DE4434464A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
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DE20107105U1 (de) | 2001-04-25 | 2001-08-09 | WOBEK Oberflächenschutz GmbH, 09366 Stollberg | Anordnung zum Ausbessern von Fehlstellen |
EP1338878A2 (de) * | 2002-02-21 | 2003-08-27 | Mahlo GmbH & Co. KG | Verfahren zur Messung der Umgebungstemperatur sowie Temperaturmessanordnung |
EP1338878A3 (de) * | 2002-02-21 | 2003-09-03 | Mahlo GmbH & Co. KG | Verfahren zur Messung der Umgebungstemperatur sowie Temperaturmessanordnung |
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