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Strahlungspyrometer
Die Erfindung bezieht sich auf Strahlungspyrometer,
wie sie im allgemeinen zum Messen von Temperaturen. von mehr als Soo bis goo0 C
verwendet werden. Sie bestehen häufig aus einer Platte, auf die mittels eines optischen
Systems das Bild einer Wärmequel.le projiziert wird, deren Temperatur gemessen werden
soll. Diese Platte ist derart mit einem Thermoelement verbunden, daß dessen eine
Schweißstelle
annähernd die Temperatur der Platte annimmt. Die andere Schweißstelle hat die Um
gebungstemperatur, die beim Messen der Tempe-
ratur berücksichtigt werden mull. ts
wurden bereits verschiedene Verfahren zur Kompensation der Umgebungstemperatur bekannt.
Eines derselben besteht in der Verwendung temperaturabhängiger Widerstände, die
parallel oder in Reihe mit dem Thermoelement geschaltet sind. Die Erfindung bedient
sich eines anderen Verfahrens, bei dem eine nahezu vollständige Kompensation möglich
ist.
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Wenn mit Hilfe eines optischen Systems das Bild der- Wärmequelle
auf die Auffangplatte geworfen wird, dantn kann die Beziehung zwischen der Temperatur
der Platte, der Temperatur der Quelle und der Umgebungstemperatur durch den Ausi
druck iQe wiedergegeben werden.
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Dabei bezeichnet Tp die Temperatur der Platte in Grad K, Tß die Temperatur
der Quelle in Grad K, T0 die Umgebulngstemperatur in Grad K, aiB den Bruchteil der
Strahlung, der nicht vom optischen System und der Glashülle der Vorrichtung absorbiert
wird und zur Wbbildung der Platte beiträgt, 0 den halben Üffnungswinkel des optischen
Systems und e den Absorptionskoeffizienten der Rückseite der AuffangpLatte. Es wird
d;abei angenommen, daß die Strahlungsquelle ein schwarzer Körper und die Vorderseite
der Platte praktisch ein schwarzer Körper ist, daß die Glashülle besonders gut evakuiert
und die Wärmeableitung durch die Zuführungsdrähte des Thermoelements gegenüber dem
Strahiungs'verl'nst der Auffangplatte vernachlässigbar ist.
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Die Größe db B ist nicht konstant, sondern nimmt mit der Temperatur
der Quelle zu. Bei richtiger Wahl dieser Größe und des Offnungswinkels des optischen
Systems wird bei einer bestimmten Umgebungstemperatur die Beziehung zwischen Tp
und TB linear, was ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Vorrichtung gegenüber
vielen anderen Strahlungspyrometern ist. In Fig. 2 ist diese lineare Beziehung zwischen
der Temperatur TB der Quelle und der Temperatur Tp der Platte dargestellt.
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Der Einfluß der Umgebungstemperatur ist aus Fig. 3 ersichtlich. Zwischen
.20 und I00° C ist die Beziehung zwischen T0 und Tp praktisch linear, wenn die Temperatur
der Quelle konstant ist. Diese Figur zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur
der Platte und der Umgebungstemperatur für drei verschiedene Werte der Temperatur
der Quelle.
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Es ergibt sich daraus, daß zum Ausgleich des Einflusses der Umgebungstemperatur
die Größe der dazu dienenden Wirkung auch von der zu messenden Temperatur abhängen
muß, und zwar in dem Sinne, daß diese Wirkung bei höheren Quellentemperaturen geringer
sein muß als bei niedrigeren, da die Steilheit der die Beziehung zwischen den Größen
Tp und T0 angebenden Kurve bei höheren Quellentemperaturen weseuflich geringer ist
als bei niedrigeren.
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Gemäß der Erfindung wird in den Kreis des ersten Thermoelements mittels
eines zweiten Thermoelements eine Ausgleichspannung eingeführt, die sowohl von der
Umgebungstemperatur wie von der zu messenden Temperatur abhängig ist.
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Es sei bemerkt, daß es bekannt ist, bei Thermoelementen zur direkten
Messung ,einer Temperatur, wobei also die warme Schweiß stelle in direktem Gleichgewicht
mit der zu messenden Temperatur ist, ein zweites Thermoelement zum Ausgleichen -des
Fehlers der kalten Schweißstelle zu verwenden.
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Das Kompensationsverfahren nach der Erfindung bewirkt keinen Ausgleich
der kalten Schweißstelle; letzterer wird im allgemeinen noch zusätzlich durchgeführt
werden müssen.
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Für die zuerst genannte Kompensation kann gemäß der Erfindung das
zweite Thermoelement in der Umgebung des ersteren angeordnet werden, so daß eine
von der Umgebungstemperatur abhängige Spannung erhalten wird. Diese Spannung wird
ganz oder teilweise in den Kreis des Meßgeräts mittels eines - Spannungsteilers
eingeführt, wobei Mittel vorhanden sind, durch . welche die Einstellung des Spannungsteilers
von der zu messenden Temperatur abhängig gemacht wird.
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Vorzugsweise wird ein zweiter Spannungsteilei: benutzt, an dem eine
konstante Spannung wirksam ist und dessen Gleitkontakt mittels eines Servomotors
gemeinsam mit einem Gleitkontakt des ersten Spannungsteilers bewegt wird, wobei
die Speisespannung des Servomotors von dem Potentialunterschied zwischen den zwei
Gleitkontakten abhängig ist und die Spannungsteiler in einen Kreis aufgenommen sind,
in dem eine dem ersten Thermoelement entnommene Spannung wirksam ist.
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Es kann auf diese Weise erreicht werden, daß die Lage jedes Gleitkontakts
ein Maß für die Quellentemperatur ist.
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Fig. I zeigt eine Ausführung eines Thermoelements mit Auffangplatte
in einem Kolben, die bei dem Pyrometer nach der Erfindung verwendbar ist. Der Glaskolben
ist mit I bezeichnet; die Platte 3, auf die mittels eines optischen Systems ein
Bild der Wärmequelle geworfen wird, ist an den Drähten 4 des Thermoelements befestigt.
Diese Drähte sind durch Bohrungen in einem Glimmerring 2 hindurchgeführt, der auf
zwei Durchführungsleitern 5 und 5' ruht. Indem die Drähte des Thermoelements nicht
an den oberen Enden der Leiter 5 und 5', sondern an niedriger liegenden Punkten
befestigt sind, können die Verluste infolge der Wärme-Ableitung verringert werden.
Die Bezugsziffer 6 bezeichnet einen Pumpstutzen.
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Fig. 4 dient zur Erläuterung der Erfindung. In dieser Figur bezeichnet
I den Kolben des Thermoelements. Mit Hilfe dieses Elements wird die Temperatur der
Platte 3 gemessen, auf die ein Bild der Wärmequelle projiziert wird. Es wird angenommen,
daß die Platte 3 auf die in Fig. I dargestellte Weise befestigt ist; sie ist vorzugsweise
auf der Bildseite geschwärzt und auf der anderen Seite poliert und verspiegelt.
Der eine Leiter des Thermoelements 4 kann unmittelbar mit dem Meßgerät g und der
andere mit einem Spannungsteiler 8 verbunden sein, an dessen Enden ein zweites Thermoelement
7 angeschlossen ist. Dieses Thermoelement liegt am Kolben I des ersten Thermoelements
an und liefert also eine Spannung, die bei Anwendung der an sich bekannten Kompensation
der kalten Schweißstelle auf die gewünschte Weise von der Temperatur des Kolbens
I abhängig ist. An einen beweglichen Kontakt des Spannungsteilers 8 ist die andere
Klemme des Meßgeräts g angeschlossen. Wenn dafür gesorgt wird, daß mittels einer
nicht dargestellten Vorrichtung die Lage des Kontakts am Spannungsteiler 8 derart
von der Quellentemperatur abhängig ist, daß die sich aus Fig. 3 ergebenden Forderungen
erfüllt werden, ergibt das Meßgerät g eine nahezu völlig genaueAnzeige der zu messenden
Temperatur. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die in den Kreis des Geräts g einzuführende
Ausgleidhspannung um so kleiner sein muß, je höher die Quellentemperatur ist. Es
muß also dafür gesorgt
werden, daß bei höheren Temperaturen eine
kleinere Spannung am Spannungsteiler 8 abgegriffen wird als bei niedrigeren Temperaturen.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Dabei sind zwei Spannungsteiler 13 und 14 vorhanden, von denen der erstere an eine
Gleichspannungsquelle I7 mit konstanter Spannung angeschlossen ist und der zweite
über veränderliche Widerstände 15 und I6 von einem Thermoelement 7 gespeist wird,
das eine Spannung liefert, die von der Temperatur der unmittelbaren Umgebung des
Termoelements 4 abhängig ist. Letzteres ist zwischen dem nach dem Widerstand I6
führenden Stromleiter des Thermoelements 7 und dem Kreis des Spannungsteilers I3
eingeschaltet. Die Gleitkontakte der zwei Spannungsteiler sind durch eine mechanische
Vorrichtung I2 miteinander gekuppelt, die mittels eines Servomotors II verschiebbar
ist, und im übrigen an einen elektrischen Verstärker IO angeschlossen, in dem der
Potentialunterschied zwischen diesen Kontakten verstärkt wird. Der Servomotor II
wird durch die Ausgangsspannung des Verstärkers IO gespeist und verschiebt die Gleitkontakbe
in dem Sinne und so lange, bis die Spannung auf Null herabgesunken ist.
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Auf diese Weise wird eine sehr weitgehende Kompensation erzielt;
die Lage der Gleitkontakte ist ein Maßstab für die Ouellentemperatur, Es ist ersichtlich,
daß die Kompensation nicht nur von der vom Thermoelement 7 gelieferten Spannung,
sondern auch von der Spannung des Thermoelements 4 abhängig ist.
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Mit Hilfe der Widerstände 15 und I6 kann die richtige Einstellung
der Anfangs- und Endwerte der Ausgleichspannung erzielt werden.
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PATENTANSPRtJCHE: I. Strahlungspyrometer mit Thermoelement, von dem
eine Schweißstelle der Strahlung der Wärmequelle ausgesetzt ist, deren Temperatur
- unter Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur gemessen werden soll,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Kreis des Thermoelements eine Kompensationsspannung
eingeführt ist, die von der zu messenden Temperatur abhängig ist.