Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontaktiosen Messen der
Oberflächentemperatur und/oder des Strahlungsvermögens von Objekten nach
dem Prinzip der Zerlegung der durch das zu messende Objekt emittierten
infraroten Strahlung mit Hilfe von wenigstens zwei Detektoren der infraroten
Strahlung.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
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Kontaktoses Messen der Temperatur, besonders von Objekten in
Bewegung, wird häufig verlangt zum Beispiel bei vielen Vorgängen in den Textil-,
Papier und Zellulosen- und Plaststoffindustriezweigen. Ohne die Lösung dieses
Problems kann man viele solche Vorgänge weder steuern noch regulieren oder
optimieren. Zu diesem Zweck werden oft übliche kontaktiose Thermometere oder
Strahlungsthermometer benutzt.
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Die erstgenannten von diesen Thermometern sind billiger, müssen aber
ganz nahe am zu messenden Objekt angeordnet sein, was nicht immer möglich
ist.
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Die Strahlungsthermometer, d.h. Pyrometer, beruhend auf der Zerlegung
der aus dem Objekt hinausgehenden Infrarotstrahlung, sind wesentlich abhängig
von den Strahlungseigenschaften, das heißt vom Strahlungsvermögen oder vom
Grad der Schwärze des zu messenden Objektes. Darüber hinaus wird der
Meßfehler durch die Absorption der infraroten Strahlung im Raum zwischen dem
zu messenden Objekt und dem mit einem Detektor der infraroten Strahlung
ausgestatteten Pyrometer erhöht.
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Der durch die Unkenntnis der Veränderlichkeit des Strahlungsvermögens
und der Absorption der infraroten Strahlung verursachte Meßfehler wird durch
den Einsatz der sogenannten Zweibandoder Vielbandpyrometer vermindert, mit
denen die aus dem Objekt hinausgehende Strahlung durch optische Filter in
Bänder mit unterschiedlichen Wellenlängen zerlegt wird.
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Die auf derselben Temperatur gehaltenen Detektoren zerlegen gleichzeitig
die Strahlung nur in die vorbestimmten Bänder. Auf diese Weise wird ein Satz
unabhängiger Signale gebildet, der es unter bestimmten Bedingungen ermöglicht,
den Einfluß des Strahlungsvermögens des zu messenden Objektes in der
resultierenden Relation für die Berechnung der Temperatur des zu messenden
Objektes zu eliminieren.
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Die wichtigsten Voraussetzungen für diese Anwendung sind die
Unabhängigkeit des Strahlungsvermögens des zu messenden Objektes von
seiner Temperatur oder eine mit der Temperatur parallele Erhöhung des
spektralen Strahlungsvermögens des Objekts. Gleichsam muß auch die
Absorption der Infrarotstrahlung in der Atmosphäre in allen zu messenden
Bändern des Infrarotspektrums indentisch sein.
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In der Praxis ist es fast unmöglich, solche Bedingungen bei niedrigeren zu
messenden Temperaturen zu erfüllen. Deshalb werden die Bandpyrometer
ausschließlich bei höheren Temperaturen eingesetzt. Jedoch auch in diesem Fall
entsteht eine Reihe von Problemen, zum Beispiel die spektralabhängige
Oxydation von Metallen, die die Autoren der Mehrbandpyrometer mit Einsatz von
bis zu sechs Kanälen zu lösen versuchen.
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Da jedoch der Preis eines bis zu zehn dünne Halbleiterschichten
enthaltenden Infrarot-Bandfilters den Preis eines kompletten Pyrometeres ohne
Filter übersteigt, steht fest, daß auch ein Zweibandpyrometer, ausgestattet mit
diesen Filtern, dreimal kostspieliger als ein übliches Pyrometer ist.
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Darum werden gegenwärtig andere Verfahren benutzt, die die Ermittlung
des Strahlungsvermögens des zu messenden Objektes auf unterschiedliche
Weise ermöglichen. Das letzte von diesen Verfahren enthält die Anwendung der
Laserstrahlung, die nach der Reflexion vom Objekt mit der ursprüngliche
Strahlung verglichen wird und auf diese Weise eine geeignee Angabe über die
Strahlung des Objektes gewonnen wird. Dieses Verfahren ist jedoch beträchtlich
kritisch von der Kostenseite her. Die Anlage is angemessen groß und verlangt
nach komplizierter Installierung und qualifizierter Bedienung. Daher wurde keines
der beschriebenen Verfahren bis jetzt praktisch oder geschäftlich erfolgreich
angewandt.
Darlegung des Wesens der Erfindung
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Die Nachteile der bisherigen Verfahren des kontaktlosen Messens der
Oberflächentemperatur der Objekte, die auf dem Prinzip der Zerlegung der durch
das zu messende Objekt emittierten Strahlung mit Hilfe von wenigstens zwei
Detektoren der infraroten Strahlung (Radiation) beruhen, werden durch das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beseitigt, dessen Prinzip darin
besteht, daß wenigstens zwei Detektoren der infraroten Strahlung durch eine
Wärmezufuhr auf unterschiedlichen Durchschnittstemperaturen gehalten werden,
so daß von diesen Detektoren unterschiedliche und unabhängige
Ausgangssignale zur Ermittlung der Oberflächentemperatur und/oder des
Strahlungsvermögens des zu messenden Objektes gewonnen werden.
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Besonders vorteilhaft ist der Bereich der zu messenden Temperaturen
zwischen 0º und 250ºC, der in den Technologien der Textil-, Papier- und
Plaststoffbearbeitung am häufigsten vorkommt, vorausgesetzt, daß die Differenz
zwischen den Durchschnittstemperaturen der Detektoren der Infrarotstrahlung
genügend groß ist, zum Beispiel 3000.
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Der Begriff der "Durchschnittstemperatur" wird hier eingeführt, weil jeder
Detektor bis zu einem gewissen Grad durch die ihn beeinflussende
Infrarotstrahlung erwärmt wird, so daß sie in der Größenordnung von
Zehntelgraden steigt. Dieser kleine Temperaturanstieg hängt jedoch von der
Ebene des ihn beeinflussenden Strahlungsstroms ab, so daß die Temperatur des
Detektors schwankt.
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Als Durchschnittstemperatur des Detektors bezeichnet man also die
Summe der durch die beeinflussende Infrarotstrahlung nicht beeinflußten
Grundtemperaturen des Detektors mit dem durchschnittlichen, durch den
Austausch der Infrarotstrahlung zwischen dem zu messenden Objekt und dem
Detektor verursachten Anstieg oder Abfall der Temperatur des Detektors (für die
gewählte Zeitperiode) herbeigeführt wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Konstruktion des Apparats zur Durchführung des Verfahrens zum
kontaktlosen Messen der Oberflächentemperatur und/oder des
Strahlungsvermögens nach der Erfindung ist zur Erklärung des Verfahrens in der
Zeichnung schematisch dargestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die durch ein zu messendes Objekt 1 emittierte Infrarotstrahlung wird
durch eine Linse 2 auf einen ersten Detektor 3 der Infrarotstrahlung mit einer
Durchschnittstemperatur T&sub1; konzentriert. Der Ausgang dieses ersten Detektors 3
der Infrarotstrahlung ist mit einem ersten Verstärker 4 verbunden, der auch
andere Funktionen haben kann. Das verstärkte Signal U&sub1; des Detektors 3 der
Infrarotstrahlung steht zur Verfügung am Ausgang des im wesentlichen linearen
ersten Verstärkers 4. Die Infrarotstrahlung wird zu einem zweiten Detektor der
Infrarotstrahlung 5 mit einer Durchschnittstemperatur T&sub2; geführt, entweder
kontinuierlich durch einen halbdurchlässigen Spiegel 6, der zwischen der Linse 2
und dem ersten Detektor 3 der Infrarotstrahlung untergebracht ist, wie in der
Zeichnung dargestellt, oder intermittierend durch die Bewegung eines rotierenden
Teiles (Unterbrechers), der in einer ersten Grenzlage die gesamte durch die Linse
2 gesammelte Strahlung auf den zweiten Detektor 5 der Infrarotstrahlung, und in
einer zweiten Grenziage auf den ersten Detektor 3 der Infrarotstrahlung richtet.
Der Ausgang des zweiten Detektors 5 der Infrarotstrahlung ist mit einem zweiten
Verstärker 10 verbunden. Das verstärkte Signal U&sub2; des zweiten Detektors 5 der
Infrarotstrahlung ist auch am Ausgang des zweiten Verstärkers 10 vorhanden.
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Da die Detektoren der Infrarotstrahlung 3 und 5 durch einen Regler 7 und
durch die in der Nähe der Detektoren 3,5 untergebrachten
Erwärmungslkühlungsvorrichtungen 8,9 auf unterschiedlichen Temperaturen
gehalten werden, werden an den Verstärkern 4 und 10 zwei unterschiedliche und
unabhängige Signale gewonnen und einer EDV-Anlage 11 zugeführt, mit der die
Verstärker verbunden sind. In der EDV-Anlage 11 werden die beiden Signale, die
zum Beispiel in ihren Amplituden unterschiedlich sind, in eine resultierende
Beziehung gebracht, die es ermöglicht, die resultierende Temperatur T des
Objektes unabhängig vom Strahlungsvermögen des Objektes und von der
Absorption der Infrarotstrahlung in der Atmosphäre zwischen dem Objekt 1 und
der Linse 2 des Pyrometers zu ermitteln.
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Das Verfahren zum kontaktlosen Messen der Oberflächentemperatur
und/oder des Strahlungsvermögens der Objekte wird dann so durchgeführt, daß
mit Hilfe der Erwärmungs/Kühlungsvorrichtung 8 und des Reglers 4 die
Durchschnittstemperatur T&sub1; des ersten Detektors 3 der Infrarotstrahlung auf
einem im Vergleich mit der Durchschnittstemperatur T&sub2; des zweiten Detektors 5
der Infrarotstrahlung&sub1; die durch die Erwärmungslkühlungsvorrichtung 9
aufrechthalten wird, höheren Niveau aufrechterhalten wird. Ein anderes
Ausführungsbeispiel kann zwei Temperaturregler enthalten, je einen für die
Detektoren 3,5, oder können die Erwärmungslkühlungsvorrichtungen 8,9 auf eine
andere bekannte Weise für die Erwärmung und Kühlung der Detektoren der
Infrarotstrahlung angeordnet sein.
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Dank der Differenz zwischen den Temperaturen T&sub1;, T&sub2;, werden an den
Detektoren der Infrarotstrahlung 3, 5 zwei wesentlich unterschiedliche und
unabhängige Ausgangssignale generiert, die es ermöglichen, sowohl die
Temperatur als auch das Strahlungsvermögen zu errechnen und auf diese Weise
auch den Einfluß des Strahlungsvermögens des Objektes und der Absorption der
Infrarotstrahlung des Objektes zu eliminieren.
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Die Nachteile der bisherigen Verfahren zum kontaktlosen Messen der
Oberflächentemperatur nach dem Prinzip des Empfangs der Infrarotstrahlung mit
Hilfe von wenigstens zwei Detektoren der Infrarotstrahlung werden auf diese
Weise behoben durch das neue Verfahren nach der neuen Erfindung, deren
Prinzip darauf beruht, daß die Durchschnittstemperaturen dieser Detektoren mit
Hilfe wenigstens einer Erwärmungslkühlungsvorrichtung auf voneinander
unterschiedlichen Ebenen aufrechterhalten werden, wobei diese Differenz so
groß ist, daß sie von diesen Detektoren zwei genügend unterschiedliche und
unabhängige Ausgangssignale liefert und dadurch die Errechnung des
Strahlungsvermögens und der Temperatur des Objektes ermöglicht und den
Einfluß des Strahlungsvermögens des Objektes und der Absorption der
Infrarotstrahlung im Raum zwischen dem Objekt und dem Detektor von der
resultierenden Gleichung, nach der die Temperatur des Objektes errechnet wird,
eliminiert.
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Dieses Verfahren beruht auf der Tatsache, daß das Ausgangssignal U1
jedes (hier: des ersten) Detektors nach dem Stephan-Boltzmann Gesetz
proportional ist der Differenz zwischen den vierten Potenzen der absoluten
Temperatur T&sub0; des Objektes und T&sub1; des Detektors (die realen Bedingungen
vermindern manchmal diese Potenzen), wie folgt:
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U&sub1; = C(T&sub0;&sup4;-T&sub1;&sup4;)
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Die Konstante C beinhaltet hier die Kapazität der Oberflächenstrahlung, das heißt
das Strahlungsvermögen des Objektes, die Absorptionskapazität des Detektors,
die geometrische Auslegung des Objektes und des Pyrometers (Detektors),
optische Aspekte, Strahlungsabsorption im Raum zwischen dem Objekt und dem
Pyrometer, und auch die elektrische Verstärkung der Vorrichtung. Es kann als
Vorteil angesehen werden, wenn die Ausgangssignale der zwei Detektoren
spektral unabhängig sind, weil es bedeutet, daß ihre Ausgangssignale nur vom
Wärmestrom der zerlegten Strahlung abhängig sind. Diese Bedingung wird mit
den sogenannten thermischen Detektoren erfüllt, deren Strahlungsvermögen in
gesamtem Bereich der zerlegten infraroten Wellenlängen konstant ist.
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Für das gleiche Spektralband der erhaltenen (eintreffenden)
Infrarotstrahlung kann die Gleichung für den anderen (zweiten) Detektor
geschrieben werden:
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U&sub2; = C(T&sub0;&sup4;-T&sub2;&sup4;)
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die sich von der Gleichung (1) durch die unterschiedliche Temperatur T&sub2; des
anderen (zweiten) Detektors unterscheidet.
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Durch Lösen der beiden Gleichungen erhält man.
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Wie erwartet, enthält diese Gleichung keine Abhängigkeit von irgend
einem Parameter, der die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinflussen
könnte.
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Vom Gesichtspunkt der Konstruktion erscheint es günstig, die beiden
Temperaturen 11, 12 nahe beieinander zu halten, aber eine solche Lösung
beeinträchtigt die Fähigkeit, die einzelnen Signale voneinander zu unterscheiden,
und erhöht den negativen Einfluß des elektrischen (thermischen) Geräusches der
Genauigkeit, mit der das Ergebnis der Temperaturmessung des Objektes ermittelt
wird.
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Wenn man in die Gleichung (3) alle Grenzwerte der geeigneten
Temperaturen und die Ihnen entsprechenden U-Signale einlegt und den
(theoretisch bewerteten) Wert C kennt, ist es einfach, die minimale
Temperaturdifferenz T&sub1; - T&sub2; zu ermitteln, die zum Erreichen der gewünschten
Genauigkeit der Temperturmessung erforderlich ist. Für den mittleren
Temperaturbereich von bis zu 250ºC, der den üblichsten Technologieverfahren
bei der Bearbeitung der Textil-, Papier- und Plaststoffe entspricht, ist die
empfohlene minimale Temperaturdifferenz 30ºC.
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Die unabhängigen, aus den beiden Detektoren 3,5 hinausgehen den
Signale U&sub1;, U&sub2; können dann gleichzeitig oder alternierend erscheinen, je nach der
Bauart der Vorrichtung zur Durchführung des erfundungsgemäßen Verfahrens.
Die gewünschte Temperatur T&sub0; kann dann vorzugsweise durch einen im
Pyrometer eingebauten Mikrocomputer im Prinzip nach der Beziehung (3) leicht
errechnet werden, allerdings mit etwaiger Modifikation auf der Basis der
Kalibrierungskurve.
Anwendungsgebiet der Erfindung
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Das Verfahren zum kontaktlosen Messen nach der Erfindung kann mit
Vorteil zum kontaktiosere Messen niedriger und mittlerer Temperaturen der
Objekte hauptsächlich in den Textil-, Papierund Zellulosenindustriezweigen, der
Temperaturen, die bei der Wärmebehandlung von Nichteisenmetallen, usw.
vorkommen, verwenden.
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Der Hauptvorteil besteht in der Möglichkeit, die Temperatur der Objekte
auch dann genau zu messen, wenn das Strahlungsvermögen sich während der
Wärmebehandlung ändert, oder wenn die Ermittlung schwierig ist, wie es bei
Objekten in Bewegung der Fall ist.
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Das erfindungsgsgemäße Verfahren kann in den obigen Fällen sogar zum
Messen des Strahlungsvermögens des Objektes benutzt werden.