WO2007140901A1 - Apparatus for suppressing radiation components which corrupt measured values in contactlessly operating ir measuring devices in high-temperature ovens - Google Patents
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Abstract
The present invention relates to an apparatus for suppressing radiation components which corrupt measured values in contactlessly operating infrared radiation measuring devices in high-temperature ovens having an oven temperature of typically more than 500°C, which apparatus is arranged without contact between the device (15) which measures infrared radiation (for example a pyrometer) and the measurement object (1) at the shortest possible distance (a) from the measurement object (1). The apparatus contains a tubular screening system (2) which is arranged in the beam path and has a sequence of screening shields (4) and radiation absorption chambers (5). The inventive particular shape of the radiation absorption chambers (5), which is characterized by inclination of the inner wall (20) by the angle a, results in IR radiation which corrupts measured values and comes from the area surrounding the measurement object, for example from IR interfering radiators inside a high-temperature oven, inevitably passing through a large number of reflections (reflection points) inside the screening system (2), wherein its radiation energy is completely absorbed in the screening system (2) and this energy is transported away using an integrated cooling system. The inner surfaces of the screening system (2) are kept at a constantly low temperature and the production of secondary radiation is avoided despite a high level of energy irradiation in the high-temperature oven. Use of the apparatus according to the invention in contactlessly operating IR measuring devices makes it possible to reduce the number of measurement errors to the greatest possible extent when measuring surface temperatures of measurement objects inside a high-temperature oven.
Description
Vorrichtung zur Unterdrückung von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen bei berührungslos arbeitenden IR-Messeinrichtungen in Hochtemperaturöfen Device for the suppression of measured value distorting radiation components in non-contact IR measuring devices in high-temperature furnaces
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anwendung bei berührungslosen Messungen der Temperatur mittels Strahlungspyrometrie oder bei thermographischen Bildaufnahmen oder bei Messungen der spektralen Ausstrahlung mittels Spektroskopie, im infraroten Wellenlängenbereich der Oberflächenstrahlung eines Messobjektes. Beispielsweise ist das Messobjekt ein bewegter oder nicht bewegter fester infrarotstrahlungsundurchlässiger Körper in einem Hochtemperaturofen mit typischerweise mehr als 5000C Ofeninnentemperatur, bei dem die O- berfiächentemperatur dieses Körpers auf der Grundlage der emittierten Infrarotstrahlung berührungslos, zum Beispiel durch Verwendung eines Pyrometers, gemessen wird.The invention relates to a device for use in non-contact measurements of the temperature by means of radiation pyrometry or thermographic imaging or measurements of the spectral emittance by spectroscopy, in the infrared wavelength range of the surface radiation of a measured object. For example, the measurement object is a moving or non-moving fixed infrarotstrahlungsundurchlässiger body in a high temperature furnace with typically more than 500 0 C furnace temperature, in which the O- berfiächentemperatur this body on the basis of the infrared radiation emitted without contact, for example by using a pyrometer is measured.
Es ist bekannt, dass die direkt von einem Messobjekt in einem Hochtemperaturofen ausgehende Infrarotstrahlung von Strahlungsanteilen, die ihren Ursprung in der Messobjektumgebung im Ofeninneren haben, überlagert sein kann und diese Strahlungsanteile in den überwiegenden praktischen Anwendungsfällen der Zielsetzung einer selektiven und möglichst genauen berührungslosen Messung der Messobjektstrahlung entgegenwirken. Praktische Untersuchungen an Hochtemperaturöfen der Industrie haben gezeigt, dass vielfach erhebliche nicht kalkulierbare Temperaturfehlmessungen entstehen. Die genannten Strahlungsanteile haben dabei ihren Ursprung in den Ausstrahlungen derjenigen Objekte, die das eigentliche Messobjekt umgeben und allgemein als Umgebungsstrahlung des Messobjektes bezeichnet wird. Befindet sich das Messobjekt im Inne-
ren eines Hochtemperaturofens, so können beispielsweise innen angebrachten Heizelemente, die heißen Innenwände oder eine Flamme solche Objekte sein, wobei zumeist jeder Strahler für sich oder jede Teilfläche in dieser Umgebung eine vom Messobjekt verschiedene zumeist höhere Temperatur und einen anderen Emissionskoeffϊzienten haben kann. Die Umgebung kann auch, wie beispielsweise in zwischengeschalteten Ofen- Kühlzonen, aus umgebenden infrarotstrahlenden Objekten bestehen, die vorwiegend eine niedrigere Temperatur besitzen als das Messobjekt selbst. Die in praktischen Fällen zumeist inhomogene richtungs- und intensitätsabhängige Umgebungsstrahlung trifft auf das Messobjekt und wird dort zum Teil reflektiert und zum Teil absorbiert.It is known that the infrared radiation emanating directly from a measurement object in a high-temperature furnace can be superimposed by radiation components originating in the measurement object environment in the furnace interior, and these radiation components in the majority of practical applications serve the purpose of selective and as accurate as possible non-contact measurement of the measurement object radiation counteract. Practical investigations on high-temperature furnaces in industry have shown that in many cases considerable non-calculable temperature measurement errors occur. The radiation components mentioned here have their origin in the radiations of those objects which surround the actual measurement object and are generally referred to as ambient radiation of the measurement object. If the test object is located internally Ren of a high-temperature furnace, for example, internally mounted heating elements, the hot inner walls or a flame may be such objects, usually each radiator for itself or each sub-area in this environment can have a different temperature and a different emission coefficients different from the measurement object. The environment may also, as in intermediate furnace cooling zones, consist of surrounding infrared-radiating objects, which are predominantly at a lower temperature than the measurement object itself. In practical cases, mostly inhomogeneous direction-dependent and intensity-dependent environmental radiation strikes the measurement object and becomes part there reflected and partially absorbed.
Die am Messobjekt reflektierten Strahlungsanteile aus der Messobjektumgebung oder auch die von umgebenden Objekten ausgehende direkt gerichtete Umgebungsstrahlung überlagert sich teilweise und richtungsabhängig mit der direkten messobjekteigenen Strahlung. Gelangen diese überlagerten Messwert verfälschenden Strahlungsanteile in die Mündung des dem Messobjekt gegenüberstehenden Strahlenganges und besteht dieser Strahlengangeingangsbereich sowie die darauf unmittelbar folgenden Zonen des Strahlenganges, wie aus vorhandenen praktischen technischen Bauweisen her bekannt, nur aus einem innen glatten und zumeist für Infrarotstrahlung gut reflektierendem Rohr, so gelangen diese ungehindert zum Messgerät und bewirken zumeist schwerwiegende Fehlmessungen.The radiation components reflected from the measurement object environment or the directly directed ambient radiation emitted by surrounding objects are partly and directionally superimposed on the direct measurement object radiation. If this superimposed measured value results in falsifying radiation components in the mouth of the beam path facing the measurement object and if this beam path input region and the immediately following zones of the beam path, as known from existing practical technical construction methods, consists only of an internally smooth tube, which is usually highly reflective for infrared radiation, see above These pass unhindered to the measuring device and usually cause serious incorrect measurements.
Stand der Te chnikState of the art
Ein als Sichtrohr benanntes Rohr mit glatten Innenwänden ist aus dem Produktangebot (Prospekt Nr. S4M100G/ 119) der Firma LAND Instruments GmbH, 51381 Leverkusen, bekannt. Beispielweise werden diese oftmals in Hochtemperaturöfen, Heizkammern und bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt. Sichtrohre finden vorzugsweise Verwendung für das Betrachten des Messflecks an der Messobjektoberflä-
che durch Dampf, Rauch und Flammen usw. Hierzu ist zu bemerken, dass es bei Anwendungen mit zusätzlicher Kühlung der glatten Innenwände diese vorrangig zur Reduzierung der Intensität von Sekundärstrahlung dient, das heißt der temperaturabhängigen Eigenstrahlung dieser Innenwände, auf ein vergleichsweise zur Temperatur und Strahlung des Messobjektes geringes Niveau und damit der wesentlichen Verminderung der durch Eigenstrahlung der Innenwände verursachten Messfehler.A designated as a sight tube tube with smooth inner walls is known from the product range (brochure no S4M100G / 119) LAND Instruments GmbH, 51381 Leverkusen. For example, these are often used in high-temperature furnaces, heating chambers and at higher ambient temperatures. Sight tubes are preferably used for viewing the measuring spot on the measuring object surface. For this, it should be noted that in applications with additional cooling of the smooth inner walls, this primarily serves to reduce the intensity of secondary radiation, ie the temperature-dependent internal radiation of these inner walls, to a comparatively to the temperature and radiation of the inner walls Object low level and thus the significant reduction of the internal radiation caused by internal radiation measurement errors.
In den meisten praktischen Anwendungsfällen einer berührungslos arbeitenden Infrarotstrahlungsmesseinrichtung liegen bereits im Eingangsbereich eines Strahlenganges Messwert verfälschende Strahlungsanteile vor.In most practical applications of a non-contact infrared radiation measuring device, measured values of distorting radiation components are already present in the entrance area of a beam path.
Dadurch bedingt, dass keine Vorrichtung oder Struktur im Inneren des Strahlengangeingangsbereich.es vorliegt, die bereits im Bereich nahe des Messobjektes bewirkt, dass die überlagerten Strahlungsanteile von der vom Messobjekt ausgehenden direkten Eigenstrahlung getrennt werden bzw. diese Messwert verfälschenden Strahlungsanteile unterdrückt werden, führt dazu, dass diese überlagerten Messwert verfälschende Strahlungsanteile fast ungehindert zu dem am anderen Ende des Strahlenganges befindlichen Infrarotmessgerät gelangen.As a result of this, there is no device or structure in the interior of the beam path input area which already causes the superimposed radiation components to be separated from the direct inherent radiation emanating from the measurement object in the area near the measurement object or to suppress these radiation values that distort the measured values. that these superimposed measured value falsifying radiation components reach the infrared measuring device located at the other end of the beam path almost unhindered.
In einem angeschlossenen Infrarotstrahlung messenden Gerät, beispielsweise einem Pyrometer, ist es sodann nicht mehr möglich, die aus verschiedenen Strahlungsquellen der Messobjektumgebung empfangene überlagerte Infrarotstrahlung von der zu messenden eigentlichen direkten Messobjekteigenstrahlung zu unterscheiden. Der dadurch entstehende und zumeist nicht unerhebliche Temperaturmessfehler ist hauptsächlich vom Temperaturunterschied zwischen Messobjekt und den Strahlungsquellen der Messobjektumgebung sowie von der Größe des Emissionsbzw. Reflexionskoeffizienten des Messobjektes abhängig. Diese den Temperaturmessfehler bestimmenden Größen sind zumeist noch von temporärer Art, das heißt, dass sich beispielsweise die Temperatur der umgebenden Heizungsstrahler sowie die Temperatur der umgebenden Wände während des technologischen Prozesses ändern.In a connected infrared radiation measuring device, such as a pyrometer, it is then no longer possible to distinguish the received from different sources of radiation Meßobjektumgebung superimposed infrared radiation of the actual measurement object direct actual radiation to be measured. The resulting and mostly not insignificant temperature measurement error is mainly due to the temperature difference between the measurement object and the radiation sources of the measurement object environment and the size of the emission or. Reflection coefficient of the measured object dependent. These variables determining the temperature measuring error are mostly of a temporary nature, that is to say that, for example, the temperature of the surrounding heating radiators and the temperature of the surrounding walls change during the technological process.
Um die Verfälschung der Messwerte durch die genannten Messwert
verfälschenden Strahlungsanteile wesentlich zu minimieren oder auszuschalten, sind insbesondere im Bereich der pyrometrischen Temperaturmessung verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden.To the falsification of the measured values by the mentioned measured value To substantially minimize or eliminate distorting radiation components, various methods and devices have become known, in particular in the field of pyrometric temperature measurement.
Bei einigen handelt es sich um zumeist komplizierte mathematische Aus-werteverfahren, bei denen aus einer Vielzahl von Strahlungsmesswerten, bekannten Randbedingungen und notwendigen Annahmen über den Zustand der das Messobjekt umgebenden Infrarot strahlenden Objekte zur Bestimmung der Temperatur des Messobjektes herangezogen wird. Diese Verfahren sind jedoch zu ungenau und für dynamische Prozesse, die beispielsweise mit dem Wechsel der Oberflächeneigenschaften an bewegten Messobjekten oder mit Änderungen der Umgebungsstrahlung einhergehen, völlig unbrauchbar.Some are mostly complicated mathematical evaluation methods in which radiating objects are used to determine the temperature of the measurement object from a large number of radiation measurement values, known boundary conditions and necessary assumptions about the state of the infrared surrounding the measurement object. However, these methods are too inaccurate and completely useless for dynamic processes that are associated, for example, with the change of surface properties on moving targets or with changes in the ambient radiation.
Des weiteren ist aus der US-A-2, 611,541 eine Messanordnung bekannt, bei der im Prinzip in unmittelbarer Nähe des Messflecks an der Messobjektoberfläche ein möglichst gleichmäßig strahlender angepasster Umgebungsstrahler mit bekannter Temperatur extra angebracht wird. Hierbei wird für eine annähernd konstante Umgebungsstrahlung gesorgt, deren Strahlertemperatur bekannt ist und auf eine bestimmte Art zur Kompensation der Messfehler herangezogen wird. Diese Lösung zeichnet sich durch hohen Aufwand aus und ist in bestehende technische Anlagen schwierig zu integrieren.Furthermore, from US-A-2, 611,541 a measuring arrangement is known in which in principle in the immediate vicinity of the measuring spot on the measuring object surface as evenly as possible radiated matched ambient radiator with a known temperature is extra attached. In this case, an approximately constant ambient radiation is provided whose radiator temperature is known and is used in a specific way to compensate for the measurement errors. This solution is characterized by great effort and is difficult to integrate into existing technical systems.
Aus der EP 0 708 318 Al ist ein System zur Ermittlung der Temperatur von Wafern zur Halbleiterherstellung bekannt. Diese Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose Messung der Strahlung eines Objektes in einer Strahlungsumgebung, wie zum Beispiel eines Halbleiter- Wafers in einer Schnellheizkammer (RTP Chamber) und die Ermittlung der Temperatur des Objektes durch Nutzung der Strahldichtemessung plus einer vor Ort- Messung des Emissionsvermögens dieses Objektes. Die bei der Strahldichtemessung überlagerte „background radiation" (Hintergrundstrahlung, Umgebungs- Strahlung) wird durch Nutzung von Raum- und Winkelfilterung in hohem Maße beseitigt. Ausgangspunkt sind auch hier
Probleme mit der Umgebungsstrahlung des Messobjektes (Wafer) welches in einer Kammer von Heizelementen / Lampen umgeben ist. In der Darstellung handelt es sich um eine kombinierte Mehrfachmessung- und Berechnung, gepulste Laser-Messung sowie Regelung der Heizelemente.EP 0 708 318 A1 discloses a system for determining the temperature of wafers for semiconductor production. This invention relates to non-contact measurement of the radiation of an object in a radiation environment, such as a semiconductor wafer in a RTP chamber, and to determine the temperature of the object by using the radiance measurement plus on-site measurement of the emissivity thereof object. The background radiation superimposed on the radiance measurement (background radiation, ambient radiation) is largely eliminated by using spatial and angular filtering Problems with the ambient radiation of the measurement object (wafer) which is surrounded in a chamber of heating elements / lamps. The presentation is a combined multiple measurement and calculation, pulsed laser measurement and control of the heating elements.
Zur Unterdrückung der Messobjektumgebungsstrahlung bei der Strahldichtemessung wird eine langgestreckte Winkelfilter- Baugruppe genutzt. Sie besteht, so wie dargestellt, aus einem Satz von einfach hintereinander geschalteten Lochblenden, in der die Strahlung der Umgegebungsstrahler unterdrückt wird. Diese einfache Bauform einer Winkelfilterbaugruppe ist für den Einsatz in Hochtemperaturöfen nicht geeignet. Bei den für Hochtemperatur- Öfen geeigneten Dimensionen dieser Baugruppe wird die Abschirmwirkung für Messwertverfälschende Strahlungsanteile wesentlich geringer ausfallen, als dies nach Angabe der Erfinder bei kleinerer Dimensionierung und der geometrischen Anordnung , mit der Beobachtung eines kleinen Messflecks und vorhandenem kleinem Durchmesserdes freien Strahlendurchgangs bei Strahlungsmessungen an Wafern der Fall ist. Es sind in Hochtemperaturöfen auch wesentlich höhere Dauer- Strahlungsintensitäten von einigen kW zu erwarten. Dies wiederum erfordert, dass es in der verwendeten Abschirmeinrichtung verstärkte Möglichkeiten für eine ausreichende Anzahl von Reflexionen und damit einhergehender Energieabsorption für die Messwert verfälschenden Strahlungsanteile und eine ausreichende Kühlung geben müsste. Bei der einfachen parallelen Anordnung der Lochblenden liegt der bekannte nachteilige Effekt vor, dass die Größe des Eintrittswinkels einer Strahlung in die Blendenzwischenräume gleich der des Austrittswinkels ist und dadurch größere Reste der Messwert verfälschenden Strahlung in das Infrarotstrahlung messende Gerät gelangen können. Das solche einfachen Systeme nur eine relativ geringeTo suppress the measured object ambient radiation in the radiance measurement, an elongated angle filter assembly is used. It consists, as shown, of a set of simply connected in series pinhole, in which the radiation of the surrounding radiation is suppressed. This simple design of an angle filter assembly is not suitable for use in high-temperature furnaces. In the dimensions of this assembly suitable for high temperature furnaces, the shielding effect for measurement corrupting radiation components will be significantly lower than the inventors' smaller dimension and geometrical arrangement, with the observation of a small measurement spot and small diameter of free beam transmission in radiation measurements on wafers the case is. In high-temperature furnaces, considerably higher continuous radiation intensities of a few kW are to be expected. This in turn requires that there should be increased possibilities in the shielding device used for a sufficient number of reflections and associated energy absorption for the measured value distorting radiation components and sufficient cooling. In the case of the simple parallel arrangement of the pinhole diaphragms, the known disadvantageous effect is that the magnitude of the entrance angle of a radiation into the diaphragm interspaces is equal to that of the exit angle and, as a result, larger remnants of the measurement-value distorting radiation can reach the infrared radiation measuring device. Such simple systems only a relatively small
Abschirmwirkung besitzen, ist bereits aus Versuchen an Hochtemperaturöfen bekannt.
Des weiteren ist eine Anordnung eines inneren Abschirmkörpers bei einer Infrarotstrahlungseinrichtung aus der DE 3716358 C2 bekannt. Es wird gemäß dieser Patentschrift die Aufgabe verfolgt, eine Einrichtung, insbesondere zur Unterdrückung von Infrarot- Störstrahlung des Messgerätegehäuses und dessen Linsenfassung zu schaffen. Der unter anderem aus der EP 0708 318 Al schon vorbekannte Abschirmkörper ist nahe dem Detektor des Messgerätes angeordnet. Mit dieser Erfindung ist es aus physikalischen Gründen nicht mehr möglich, die schon nahe des Messobjekts entstehende Überlagerung zwischen Messobjekteigenstrahlung und Messwert verfälschender Messobjektumgebungsstrahlung noch zu trennen. Das Messgerät ist entfernt vom Messobjekt aufgestellt. Die störende Eigenstrahlung eines Messgerätes oder seiner unmittelbaren Umgebung steht zumeist nicht in Zusammenhang mit der Strahlung aus der Umgebung des Messobjektes.Have shielding, is already known from experiments on high-temperature furnaces. Furthermore, an arrangement of an inner shielding body in an infrared radiation device from DE 3716358 C2 is known. It is the object of this patent to pursue a device, in particular for the suppression of infrared radiation of the measuring device housing and its lens frame to create. The shielding body already known, inter alia, from EP 0708 318 A1 is arranged close to the detector of the measuring device. For physical reasons, it is no longer possible with this invention to separate the superimposition already formed close to the measurement object between the measurement object intrinsic radiation and the measured value of the ambient radiation of the measurement object. The measuring device is placed away from the measuring object. The disturbing inherent radiation of a measuring device or its immediate environment is usually not related to the radiation from the environment of the measurement object.
Ferner basiert eine andere Entwicklung gemäß der AT 390 326 B auf der Nutzung eines gepulsten Hilfsstrahlers, der die Temperatur des Messobjekts im Bereich des Messflecks periodisch um weniger als I K verändert, das heißt die Oberflächentemperatur wird im Bereich des Messflecks periodisch erhöht und durch Wärmeleitung und Abstrahlung wieder abgesenkt. Die Temperaturmessung erfolgt mittels eines synchron zur Hilfsstrahlerfrequenz messenden Verhältnispyrometers. Es werden bei diesem Verfahren nur die vom Messobjekt am Messfleck emittierten Wechselanteile zur Temperaturmessung genutzt. Messwertverfälschen- de Strahlungsanteile, die wie oben genannt entstehen und über den Strahlengang zum Pyrometer gelangen können, sind nicht modulierte Strahlungsanteile und werden in der Auswerteeinheit nicht berücksichtigt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass bei diesem Verfahren unbewegte Messobjekte vorliegen müssen. Beispielsweise ist nach diesem Verfahren die Messung der Oberflächentemperatur eines bewegten Stahlbandes wegen des ständigen Wechsels der Oberfläche im Bereich des Messflecks nicht möglich.Furthermore, another development according to AT 390 326 B is based on the use of a pulsed auxiliary radiator which periodically changes the temperature of the measurement object in the region of the measurement spot by less than IK, that is, the surface temperature is periodically increased in the region of the measurement spot and by heat conduction and radiation lowered again. The temperature is measured by means of a synchronous to the auxiliary radiator frequency measuring ratio pyrometer. In this method, only the alternating components emitted by the measurement object at the measurement spot are used for temperature measurement. Measured value-distorting radiation components, which arise as mentioned above and can pass through the beam path to the pyrometer, are not modulated radiation components and are not taken into account in the evaluation unit. The disadvantage of this solution is that in this method immobile objects must be present. For example, according to this method, the measurement of the surface temperature of a moving steel strip is not possible because of the constant change of the surface in the region of the measuring spot.
Bei einem anderen Verfahren werden zwecks Verringerung des
Einflusses von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen auf die Temperaturmessung beispielsweise zwei Pyrometer benutzt, wobei das erste Pyrometer die Strahlung des Messobjektes misst und das zweite Pyrometer die Strahlung von einer ausgewählten Fläche der Messobjektumgebung. Aus den Signalen beider Pyrometermessungen wird die Temperatur des Messobjektes bestimmt. Bei diesem Verfahren sind große Temperaturmessfehler zu erwarten, weil vorausgesetzt wird, dass die Temperaturen der umgebenden strahlenden Objekte konstant sind und die Werte von Reflexion, Absorption und Emission sowohl beim Messobjekt als auch bei den Objekten der Umgebung konstant bleiben. Beispielsweise ist das Verfahren bei typischen dynamisch verlaufenden Aufheizprozessen, mit wechselnden Temperaturen bei Heizstrahlern und Messobjekt und sich ändernden Emissionskoeffizienten wegen des dabei zu erwartenden großen Temperaturmessfehlers nicht geeignet.Another method is to reduce the Influence of measured value falsifying radiation components used on the temperature measurement, for example, two pyrometers, the first pyrometer measures the radiation of the measurement object and the second pyrometer measures the radiation from a selected surface of the measurement object environment. The temperature of the measured object is determined from the signals of both pyrometer measurements. In this method, large temperature measurement errors are to be expected because it is assumed that the temperatures of the surrounding radiating objects are constant and the values of reflection, absorption and emission remain constant both in the object under test and in the objects of the environment. For example, the method is not suitable for typical dynamic heating processes, with changing temperatures for radiant heaters and measuring object and changing emission coefficients because of the expected large temperature measurement error.
Eine andere zum Zweck der Verringerung des Einflusses von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen auf die Temperaturmessung verwendete Vorrichtung besteht aus einem gekühlten Sichtrohr mit glatten Innenflächen, um dessen Mündung herum zusätzlich ein mit dem Sichtrohr verbundenes und meist kreisförmiges ebenfalls gekühltes Abschirmschild angebracht ist, ist aus dem Report Nr. EUR 20463 EN, ISBN 92-894-4237-9, 2002, der European Commission / Steel Research bekannt. Das Sichtrohr ist dabei samt Abschirmschild nahe der Messobjektoberfläche innerhalb eines Hochtemperaturofens angeordnet, ohne diese zu berühren. Es besteht dabei ein notwendiger und zumeist geringer Zwischenraum, der eine sichere berührungsfreie Messobjektbewegung parallel zur Abschirmschildfläche zulässt. Mittels dieses Abschirmschildes, in dessen Mitte sich die Mündung des Sichtrohres befindet, wird eine Abschirmung der Messfleckumgebung am Messobjekt erreicht, sodass die Strahlung der umgebenden Objekte nicht mehr direkt auf die Messfleckumgebung treffen kann; kurze Reflexionswege zur Mündung des Sichtrohres sind nicht möglich.Another device used for the purpose of reducing the influence of measured value distorting radiation components on the temperature measurement consists of a cooled sight tube with smooth inner surfaces to the mouth around a connected to the sight tube and most circular also cooled shield is mounted, is from the report no EUR 20463 EN, ISBN 92-894-4237-9, 2002, known to the European Commission / Steel Research. The sight tube is arranged together with the shield near the measurement object surface within a high-temperature furnace, without touching them. There is a necessary and usually small gap, which allows a safe non-contact measurement object movement parallel to Abschirmschildfläche. By means of this shield plate, in the middle of which the mouth of the sight tube is located, a shielding of the measuring spot environment is achieved on the measuring object, so that the radiation of the surrounding objects can no longer meet directly to the measuring spot environment; short reflection paths to the mouth of the sight tube are not possible.
Dennoch gelangen weiterhin Anteile der Umgebungsstrahlung durch mehr-fache Reflektionen zwischen Abschirmschild und Messobjekt
in den Strahlengang und somit zum Infrarotstrahlung messenden Gerät.Nevertheless, portions of the ambient radiation continue to pass through multiple reflections between the shielding shield and the test object in the beam path and thus to the infrared radiation measuring device.
Bei Verwendung eines kleinen Abschirmschildes oder bei einem zu großen Abstand zum Messobjekt ist der Effekt einer Abschirmung der Umgebungsstrahlung unzureichend. Andererseits erfordern Anschirm- schilde mit großem Durchmesser am Messort aufwendige bautechnische Maßnahmen. Bei Verwendung in Hochtemperaturöfen wird dadurch zumeist auch energetisch gegensinnig zum Aufheizprozess eine nicht unerhebliche Kühlung vorgenommen.When using a small shield or at too large a distance to the measurement object, the effect of shielding the ambient radiation is insufficient. On the other hand, shielding shields with a large diameter at the measurement site require complex construction measures. When used in high-temperature furnaces, a not inconsiderable cooling is usually carried out energetically in opposite directions to the heating process.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Anwendung bei berührungslosen Messungen der Temperatur mittels Strahlungspyrometrie oder bei thermografischen Bildaufnahmen oder bei Messungen der spektralen Ausstrahlung mittels Infrarotspektroskopie zu schaffen, mit der die unmittelbar aus der Messobjektumgebung abstammenden Messwert verfälschenden Strahlungsanteile bereits nahe des Messobjektes möglichst vollends eliminiert werden. Die insbesondere durch diese Strahlungsanteile bei einem am anderen Ende des zugehörigen Strahlenganges entfernt angebrachten Infrarotstrahlung messenden Gerät üblicherweise hervorgerufenen Messfehler sollen durch Verwendung dieser Vorrichtung nicht mehr entstehen können. Die Vorrichtung soll vorgenannte Nachteile hinsichtlich Anwendbarkeit nicht aufweisen und für den Einsatz bei rauen und extremen industriellen Umgebungsbedingungen, typischerweise innerhalb von Hochtemperaturöfen, bei Umgebungstemperaturen von 5000C und mehr, geeignet sein. Die Vorrichtung soll insbesondere durch eine vorteilhaft kompakte Ausführung in bestehende Infrarotmesseinrichtungen integrierbar sein.Object of the present invention is to provide a device for use in non-contact measurements of temperature by radiation pyrometry or thermographic imaging or measurements of the spectral emittance by means of infrared spectroscopy, with the direct from the Meßobjektumgebung derived measurement falsifying radiation components already close to the measurement object as completely as possible be eliminated. The measurement error usually caused by these radiation components in a device mounted at the other end of the associated beam path and located at the other end of the associated beam path should normally be prevented by the use of this device. The device is said not to have the aforementioned disadvantages in terms of applicability and be suitable for use in harsh and extreme industrial environments, typically within high-temperature furnaces, at ambient temperatures of 500 0 C and more. The device should in particular be integrated into existing infrared measuring devices by means of an advantageously compact design.
Diese Aufgabe wird mit Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved with features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält in ihrem Inneren ein rohrför- miges, vorteilhaft profiliertes Abschirmsystem. Dieses besteht aus mehreren nacheinander koaxial angeordneten und gekühlten bzw. geregelt
temperierten Strahlungsabsorptionskammern und Abschirmschilden und diese Vorrichtung ist zwischen dem Infrarotstrahlung messenden Gerät und dem Messobjekt im kleinstmöglichen Abstand zum Messobjekt berührungsfrei angeordnet. Durch die spezielle Form und Dimensionierung der Strahlungsabsorptionskammern und Abschirmschilde bedingt, wird für die in dieses Abschirmsystem einfallenden Messwert verfälschenden Strahlungsanteile eine stets vom Infrarot- Messgerät weg führende Strahlungswinkeländerung zu anderen Strahlungsabsorptionskammern bewirkt und damit eine wesentliche Erhöhung der Anzahl stattfindender und mit dem Abbau von Strahlungsintensität verbundener Reflexionen erzwungen, was zu einer Elimination dieser Messwert verfälschenden Strahlungsanteile führt. Zugleich werden dadurch bedingt fast ausschließlich nur die der tatsächlichen infraroten Eigenstrahlung des Messobjektes entsprechenden direkt emittierten Strahlungsanteile durch diese Vorrichtung hindurch gelassen, so dass nur diese unverfälschten Strahlungsanteile zum entfernt angebrachten Infrarotstrahlung messenden Gerät gelangen und dessen Messwerte folglich wesentlich genauer der tatsächlichen Messobjekteigenstrahlung entsprechen. Durch die Abschrägung der Zylindermantel-Innen-Flächen der Absorptionskammern wird die Anzahl der Reflektionen der Messwert verfälschenden Strahlungsanteile wesentlich erhöht und damit im wesentlichen absorbiert.The device according to the invention contains in its interior a tubular, advantageously profiled shielding system. This consists of several successively arranged coaxially and cooled or regulated tempered radiation absorption chambers and Abschirmschilden and this device is arranged without contact between the infrared radiation measuring device and the measurement object in the smallest possible distance to the measurement object. Due to the special shape and dimensioning of the radiation absorption chambers and shields caused by the incident in this shielding measured value erroneous radiation components always leading away from the infrared measuring device leading beam angle change to other radiation absorption chambers and thus a substantial increase in the number takes place and associated with the reduction of radiation intensity Reflections forced, resulting in the elimination of these measured value distorting radiation components. At the same time, almost exclusively only the directly emitted radiation components corresponding to the actual infrared radiation of the measurement object are transmitted through this device, so that only these unadulterated radiation components reach the remotely mounted infrared radiation measuring device and its measured values consequently correspond substantially more precisely to the actual measurement object intrinsic radiation. Due to the chamfering of the cylinder jacket inner surfaces of the absorption chambers, the number of reflections of the measured value falsifying radiation components is substantially increased and thus substantially absorbed.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben.Advantageous embodiments of this device according to the invention are specified in the subclaims 2 to 11.
Erfindungsdarlegunginvention exposition
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention with reference to the accompanying drawings with reference to a preferred embodiment will be explained in detail. It shows
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Sichtrohres SR mit innerem Abschirmsystem, in einer Anordnung mit
Messobjekt und angeschlossenem Infrarotstrahlung messendem Gerät;Fig. 1 is a schematic sectional view of the sight tube SR according to the invention with inner shielding system, in an arrangement with Measuring object and connected infrared radiation measuring device;
Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung zu Fig. 1 mit Strahlungsab- sorptionskammer und zwei Abschirmschilden als Teil des inneren Abschirmsystems und eine beispielhafte Darstellung der Reflexionen und Ablenkung infraroter Strahlung in der Strahlungsabsorptionskammer.2 is a schematic detail view of FIG. 1 with radiation absorption chamber and two shields as part of the inner shielding system and an exemplary representation of the reflections and deflection of infrared radiation in the radiation absorption chamber.
Das in Fig.1 dargestellte Sichtrohr (SR) mit innerem Abschirmsystem (2) ist so angeordnet, dass der Abstand (a) zur Oberfläche des Messobjektes (1) möglichst klein gehalten wird, aber nicht mit dieser Oberfläche in Berührung kommt. Das Messobjekt (1) kann beispielsweise sowohl ein ruhender als auch ein sich am Sichtrohreingang vorbeibewegender fester nicht infrarotstrahlungsdurchlässiger Körper sein.The viewing tube (SR) with inner shielding system (2) shown in FIG. 1 is arranged such that the distance (a) from the surface of the test object (1) is kept as small as possible, but does not come into contact with this surface. The measurement object (1) can be, for example, both a stationary and a solid non-infrared radiation-transmissive body moving past the sight tube entrance.
Bei sich bewegenden Messobjekten, beispielsweise erhitzten Stahlbändern im Hochtemperaturofen in einem Walzwerk, wird der minimale Abstand durch abweichende Bewegung des Bandes und durch andere technische Anforderungen begrenzt. Eine Berührung des Sichtrohres (SR) mit dem vorbeilaufenden Band muss ausgeschlossen werden.In the case of moving objects to be measured, for example heated steel strips in a high-temperature furnace in a rolling mill, the minimum distance is limited by deviating movement of the strip and by other technical requirements. Touching the sight tube (SR) with the passing tape must be excluded.
Das in Fig.1 dargestellte Sichtrohr (SR) mit innerem Abschirmsystem (2) ist so angeordnet, dass dessen optische Achse (13) senkrecht zur Oberfläche des Messobjektes (1) ausgerichtet ist, wobei für das Messobjekt (1) vorgegeben ist, dass es nicht infrarotstrahlungsdurchlässig ist und ausreichend große Abmessungen zur Vermeidung einer direkten Einstrahlung aus dem Messobjekthintergrund in den Sichtrohreingang besitzt.The viewing tube (SR) with inner shielding system (2) shown in FIG. 1 is arranged such that its optical axis (13) is oriented perpendicular to the surface of the measuring object (1), whereby it is predetermined for the measuring object (1) is not infrared radiation permeable and has sufficiently large dimensions to avoid direct radiation from the Meßobjekthintergrund in the sight tube entrance.
Bei dieser messobjektnahen Anordnung des Sichtrohres (SR) mit innerem Abschirmsystern (2) kann nur die Eigenstrahlung des Messobjektes (1), beispielhaft dargestellt durch Messobjekteigenstrahlung (11) und die am Messobjekt (1) reflektierte Strahlung, beispielhaft dargestellt durch die Reflexion der Umgebungsstrahlung (12), zum Eingang des Sichtrohres (SR) gelangen. Die Umgebungsstrahlung (12) kann beispielsweise von der Oberfläche eines Heizstrahlers zur Erwärmung von Stahlband im Hochtemperaturofen herrühren, wobei ein solcher Heizstrahler vorwiegend eine höhere Temperatur als das Messobjekt Stahlband besitzt.In this arrangement of the sight tube (SR) with inner shielding system (2), which is close to the object of measurement, only the intrinsic radiation of the measurement object (1), exemplified by measurement object intrinsic radiation (11) and the radiation reflected at the measurement object (1), can be exemplified by the reflection of ambient radiation (FIG. 12), to the entrance of the sight tube (SR). The ambient radiation (12) can originate, for example, from the surface of a radiant heater for heating steel strip in the high-temperature furnace, such a radiant heater having predominantly a higher temperature than the measuring object steel strip.
Die bereits oben genannten Messwert verfälschenden Strahlungsanteile
entstehen, dargestellt am Beispiel Fig. 1, mit der Reflexion der Umgebungsstrahlung (12) am Messobjekt (1). Die Strahldarstellung eines einzelnen Umgebungsstrahlers (12) ist eine Vereinfachung der Darstellung Fig. 1. Reale Messobjektumgebungen können aus einer Vielzahl von Umgebungsstrahlern bestehen, wobei deren Strahlrichtung und der Einfallswinkel bei ihrer Reflexion am Messobjekt nahe des Messflecks sehr verschieden sein können,The above-mentioned measured value falsifying radiation components arise, illustrated by the example of Fig. 1, with the reflection of the ambient radiation (12) on the measurement object (1). The beam representation of a single ambient radiator (12) is a simplification of the representation of FIG. 1. Real measurement object environments can consist of a multiplicity of ambient radiators, their beam direction and the angle of incidence being very different in their reflection at the measurement object near the measurement spot,
Es ist hervorzuheben, dass wegen der messobjektnahen Anordnung des Sichtrohres (SR) die aus der Messobjektumgebung stammende Strahlung immer nur mit Strahlungsrichtungen, die wesentlich von der Richtung der Messobjektoberflächenormalen abweichen, zum Sichtrohreingang gelangen kann. Beispielhaft ist hierfür die Strahlung eines einzelnen Umgebungsstrahlers (12) dargestellt, die nach einer einzigen Reflexion am Messobjekt (1) „schräg" in den Eingang (Mündung) des Sichtrohres (SR) gelangt.It should be emphasized that, because of the arrangement of the sight tube (SR) close to the object of measurement, the radiation originating from the measuring object environment can only ever reach the sight tube entrance with radiation directions that deviate substantially from the direction of the measuring object surface normal. By way of example, the radiation of a single ambient radiator (12) is shown for this purpose, which after a single reflection on the measurement object (1) "obliquely" enters the entrance (mouth) of the sight tube (SR).
Das Sichtrohr (SR) besteht erfindungsgemäß in seinem inneren Kern aus einem Abschirmsystem (2) mit speziell geformten und dimensionierten und gekühlten bzw. geregelt temperierten Abschirmschilden (4) und Strah- lungsabsorptionskammern (5), das zur optischen Achse (13) koaxial angeordnet ist. Das Abschirmsystem (2), bestehend aus gut Wärme leitendem Material, füllt mit einer Vielzahl kreisförmiger hintereinander angeordneter Abschirmschilde (4) und Strahlungsabsorptionskam- mern (5) fast vollständig das Innere des Sichtrohres (SR) aus. Die Innenwände der Strahlungsabsorptionskammern (5) besitzen erfindungsgemäß eine nach innen geneigte konische Form, wobei sich der Durchmesser der Strahlungsabsorptionskammer (5) zur Strahlenausgangsöffnung des Sichtrohres (SR) hin verringert (siehe auch Detaildarstellung Fig. 2).The sight tube (SR) according to the invention consists in its inner core of a shielding system (2) with specially shaped and dimensioned and cooled or regulated tempered Abschirmschilden (4) and radiation absorption chambers (5), which is arranged coaxially to the optical axis (13) , The shielding system (2), consisting of a material that conducts heat well, almost completely fills the inside of the viewing tube (SR) with a multitude of circular shielding shields (4) and radiation absorption chambers (5) arranged one behind the other. According to the invention, the inner walls of the radiation absorption chambers (5) have an inwardly inclined conical shape, with the diameter of the radiation absorption chamber (5) being reduced towards the radiation exit opening of the viewing tube (SR) (see also detailed illustration FIG. 2).
Das Abschirmsystem (2) ist vorteilhaft so gestaltet, dass es zusammen mit den über die gesamte Länge in seinen Außenwänden eingebrachten vorzugsweise spiralförmig umlaufenden Kühlkanälen (3) eine wärmewiderstandsarme kompakte Einheit bildet, die eine für die Gesamtfunktion des Sichtrohres (SR) erforderliche gute Kühlung bzw.
geregelte Temperierung der Abschirmschilde (4) und der Wände der Strahlenabsorptionskammern (5) ermöglicht. Ein die Kühlkanäle (3) abdeckendes und angepasstes Rohr (7) umhüllt das Abschirmsystem (2) und trennt den in den Kühlkanälen (3) fließenden Wärmeträger (zum Beispiel Kühlwasser) von anderen Bereichen des Sichtrohres (SR) und nach außen hin ab. Die Kühlung des Abschirmsystems (2) ist beispielsweise so gestaltet, dass sie vorteilhaft im Wärmeträgerkreislauf mit einer Rückkühlanlage betrieben wird.The shielding system (2) is advantageously designed in such a way that, together with the preferably spirally encircling cooling channels (3) introduced along its entire length, it forms a low heat resistance compact unit which provides a good cooling required for the overall function of the sight tube (SR) , controlled temperature control of the shielding shields (4) and the walls of the radiation absorption chambers (5). A cooling ducts (3) covering and adapted pipe (7) encloses the shielding system (2) and separates the in the cooling channels (3) flowing heat transfer medium (for example, cooling water) from other areas of the sight tube (SR) and to the outside. The cooling of the shielding system (2), for example, designed so that it is advantageously operated in the heat transfer circuit with a recooling system.
Zwischen dem äußeren rohrförmigen hitzebeständigen Mantel (8) des Sichtrohres (SR) und dem inneren Rohr (7) befindet sich eine Füllung aus hitze beständigem Wärme isolierendem Material (9), zum Beispiel Mineralwolle. Damit ist das Sichtrohr (SR) zusammen mit Flansch (6) vorteilhaft für den messobjektnahen Einbau in Messöffnungen mit Flansch und für den Dauerbetrieb innerhalb von prozesstechnischen Anlagen bei hohen Umgebungstemperaturen innerhalb von Hochtemperaturöfen verwendbar.Between the outer tubular heat-resistant jacket (8) of the sight tube (SR) and the inner tube (7) is a filling made of heat-resistant heat-insulating material (9), for example mineral wool. Thus, the sight tube (SR) together with flange (6) is advantageously used for measuring object close installation in measuring ports with flange and for continuous operation within process engineering equipment at high ambient temperatures within high-temperature furnaces.
Die in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Strahlrichtungen zeigen, dass nur die vom Messobjekt (1) ausgehenden Anteile aus der Messobjekteigenstrahlung ( 1 1) , die sich durch parallele bzw. annähernd parallele Strahlungsrichtung zur optischen Achse (13) des Sichtrohres (SR) und des angeschlossenen Verbindungsrohres (14) auszeichnen, ungehindert über die Abbildungsoptik (16) zum internen Infrarotsensor (17) des Infrarotstrahlung messenden Gerätes (15) gelangen.The beam directions illustrated by way of example in FIG. 1 show that only the components originating from the object under test (1 1), which are parallel or approximately parallel to the optical axis (13) of the sight tube (SR) and the parallel Distinguish connected connecting tube (14), unhindered on the imaging optics (16) to the internal infrared sensor (17) of the infrared radiation measuring device (15) reach.
Dem Fachmann ist bekannt, dass das Infrarotstrahlung messende Gerät (15) ein außerhalb von Zonen mit extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. hohen Temperaturen in Hochtemperaturöfen, entfernt installiertes Gerät ist und sich nicht in unmittelbarer Messobjektnähe befindet. Das Verbindungsrohr ( 14) in Fig. 1 stellt ersatzweise alle zwischen dem Flansch (6) des gewöhnlich extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzten Sichtrohres (SR) und dem Infrarotstrahlung messenden Gerät (15) eingesetzten baulichen Elemente dar.It is known to those skilled in the art that the infrared radiation measuring device (15) is located outside of zones with extreme environmental conditions, e.g. high temperatures in high-temperature furnaces, equipment installed remotely and is not in the immediate vicinity of the measuring object. The connecting tube (14) in Fig. 1 substitutes all structural elements inserted between the flange (6) of the usually extreme environmental conditions exposed sight tube (SR) and the infrared radiation measuring device (15).
Die von der optischen Achse (13) im Strahlungswinkel wesentlich ab-
weichenden Anteile der Messobjekteigenstrahlung (11) und die am Messobjekt (1) in Messflecknähe reflektierten "Schräg" einfallenden Anteile der Umgebungsstrahlung (12) bilden zusammen eine sich überlagernde Strahlung, die geometrisch bedingt an die Abschirmschilde (4) des Abschirmsystems (2) beziehungsweise in die Strahlungsabsorptionskam- mern (5) gelangt.The optical axis (13) in the beam angle substantially ab- Deviating portions of the measurement object intrinsic radiation (11) and the "oblique" incident on the measurement object (1) portions of the ambient radiation (12) together form an overlapping radiation which geometrically due to the shields (4) of the shielding (2) or in the radiation absorption chambers (5) passes.
Alle die nach Fig. 1 „schräg", das heißt wesentlich abweichend von der op-tischen Achse (13) in den Eingang des Sichtrohres (SR) einfallenden Strahlungsanteile sind generell Messwert verfälschende Strahlungsanteile, da es sich um einander überlagerte Strahlung aus verschiedenen Infrarotstrahlungsquellen handelt und diese Strahlungsanteile notwendigerweise an Innenflächen des gesamten Strahlenganges reflektiert und als Überlagerungen zum Infrarotstrahlung messenden Gerät (15) gelangen können.All of the FIG. 1 "obliquely", that is substantially different from the optical axis (13) in the input of the sight tube (SR) incident radiation components are generally measuring value distorting radiation components, as it is superimposed radiation from different sources of infrared radiation and these radiation components necessarily reflected on inner surfaces of the entire beam path and can reach as superimpositions to the infrared radiation measuring device (15).
Diese Messwert verfälschenden Strahlungsanteile treffen infolge ihrer außeraxialen Strahlungsrichtungen auf die Abschirmschilde (4) des Abschirmsystems (2) im Inneren des Sichtrohres (SR) und werden an deren Oberflächen sowie an den schrägen Wänden der Strahlungsabsorptions- kammern (5) reflektiert bzw. absorbiert. Die Messwert verfälschenden Strahlungsanteile durchlaufen dabei zwangsweise eine hohe Anzahl von aufeinander folgenden Reflexionen (Reflexionsstellen), die je nach ihrem Eintrittswinkel am Sichtrohreingang in verschiedenen Abschnitten des Abschirmsystems (2) und in mehreren benachbarten Strahlungsabsorptionskammern (5) des Abschirmsystems (2) erfolgen. Gesetzmäßig wird mit jeder stattfindenden Reflexion ein Teil der vorhandenen Strahlungsenergie von den Abschirmschilden (4) des Abschirmsystems (2) bzw. den Wänden der Strahlungsabsorptionskammern (5) absorbiert. Die absorbierte Energie wird über das gut Wärme leitende Material des Abschirmsystems (2) an den Wärmeträger in den Kühlkanälen (3) abgeleitet.Due to their off-axis radiation directions, these measured values falsify radiation components on the shielding shields (4) of the shielding system (2) inside the sight tube (SR) and are reflected or absorbed on their surfaces and on the oblique walls of the radiation absorption chambers (5). The measured value distorting radiation components forcibly pass through a high number of successive reflections (reflection points), which occur depending on their entry angle at the sight tube entrance in different sections of the shielding system (2) and in several adjacent radiation absorption chambers (5) of the shielding system (2). As a rule, with each reflection taking place, a part of the available radiation energy is absorbed by the shielding shields (4) of the shielding system (2) or the walls of the radiation absorption chambers (5). The absorbed energy is dissipated via the good heat conducting material of the shielding system (2) to the heat transfer medium in the cooling channels (3).
In Fig.1 ist beispielhaft der Verlauf der Reflexionen innerhalb des Abschirmsystems (2) für die ursprüngliche Umgebungsstrahlung (12) eingezeichnet. Für diejenigen Anteile der Messobjekteigenstrahlung
( 1 1), die mit Ihrer Strahlungsrichtung auf das Abschirmsystem (2) treffen, werden ebenfalls Mehrfachreflexionen zustande kommen.FIG. 1 shows, by way of example, the course of the reflections within the shielding system (2) for the original ambient radiation (12). For those portions of the sample object radiation (1 1), which hit the shielding system (2) with their radiation direction, multiple reflections will also occur.
Es kann berechnet werden, nach wie vielen Reflexionen die Anfangsintensität einer einfallenden Messwert verfälschenden Strahlung auf ein bestimmtes im Vergleich zur direkten Strahlung des Messobjektes erforderliches, nicht mehr Messfehler beeinflussendes Minimum reduziert wird. Dabei wird die für dieses Minimum erforderliche Anzahl von Reflexionen sowohl durch die konstruktiven Maße des Abschirmsystems (2) als auch durch den Absorptionskoeffizient seiner inneren Oberflächen bestimmt. Je größer beispielsweise dieser Absorptionskoeffizient ist, desto geringer ist die Anzahl der genannten erforderlichen Reflexionen.It can be calculated according to how many reflections the initial intensity of an incident measurement value-distorting radiation is reduced to a specific minimum that is required in comparison to the direct radiation of the measurement object and that does not influence more measurement errors. In this case, the required for this minimum number of reflections is determined both by the structural dimensions of the shielding (2) and by the absorption coefficient of its inner surfaces. For example, the larger the absorption coefficient, the lower the number of required reflections.
Die Absenkung der Energie von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen auf ein für die Messung unerhebliches niedriges Niveau ist auch dadurch gegeben, dass infolge ausreichender Kühlung bzw. geregelter Temperatur dieser Abschirmschilde (4) auf einen konstanten niedrigen Wert, keine zusätzlichen Sekundärstrahler mit Messwertverfälschender Wirkung entstehen können. Unter Sekundärstrahlern versteht man Oberflächenbereiche, die durch Strahlungsenergieaufnahme höhere Temperaturen erreichen und dadurch selbst zu intensiven Infrarotstrahlungsquellen werden.The lowering of the energy of measured value distorting radiation components to an insignificant for the measurement low level is also given by the fact that due to adequate cooling or controlled temperature of shielding shields (4) to a constant low value, no additional secondary radiator with Meßwertverfälschender effect. Secondary radiators are surface areas that reach higher temperatures due to the absorption of radiant energy and thus themselves become intense infrared radiation sources.
Es besteht ferner eine gegenseitige und mehrfache Abschattung durch Ab- schirmschilde (4) im Abschirmsystem (2), die es unmöglich macht, dass vom entfernt angebrachten Infrarotstrahlung messenden Gerät (15) die stattfindenden Reflexionen in den Strahlungsabsorptionskammern (5) „beobachtet" werden können.There is also a mutual and multiple shading by shield shields (4) in the shielding system (2), which makes it impossible that the remotely mounted infrared radiation measuring device (15) the occurring reflections in the radiation absorption chambers (5) can be "observed" ,
Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 beispielhaft die Darstellung der Reflexionen und Ablenkung infraroter Strahlung in einer Strahlungs- absorptionskammer (5) erläutert. Fig. 2 ist eine Detaildarstellung des rotationssymmetrisch aufgebauten Abschirmsystems (2) des erfindungsgemäßen Sichtrohres.The illustration of the reflections and deflection of infrared radiation in a radiation absorption chamber (5) will be explained below by way of example with reference to FIG. 2. Fig. 2 is a detailed view of the rotationally symmetrical shielding system (2) of the sight tube according to the invention.
In der schematischen Detaildarstellung Fig. 2 werden halbseitig zwei Abschirmschilde (4a und 4b) und die Strahlungsabsorptionskammer (5)
dargestellt. Die Mitten der Abschirmschilde (4a und 4b) liegen auf der optischen Achse (13). Bei dieser halbseitigen Schnittdarstellung wird die Strahlungsabsorptionskammer (5) durch das untere Abschirmschild (4a), das mit Abstand darüber angeordnete obere Abschirmschild (4b) und die geneigte Innenwand (20) begrenzt. Die Neigung der Innenwand (20) ist durch den Winkel α bestimmt. Es sind die Abschirmschildöffnung (4c) und die Abschirmschildöffnung (4d) eingezeichnet. Die Außenwand (7a) des Abschirmsystems (2) ist hier ohne Kühlkanäle dargestellt.2, two shields (4a and 4b) and the radiation absorption chamber (5) are half-sided on the schematic detail illustration. shown. The centers of the shields (4a and 4b) lie on the optical axis (13). In this half-side sectional view, the radiation absorption chamber (5) is bounded by the lower shielding shield (4a), the spaced-apart upper shielding shield (4b) and the inclined inner wall (20). The inclination of the inner wall (20) is determined by the angle α. The shield shield opening (4c) and the shield shield opening (4d) are shown. The outer wall (7a) of the shielding system (2) is shown here without cooling channels.
In Fig. 2 wird beispielhaft ein in die Strahlungsabsorptionskammer (5) einfallender Strahl (8) und die stattfindenden Reflexionen an den beiden Abschirmschilden (4a und 4b) sowie an der geneigten Innenwand (20) dargestellt. Die Richtung des in die Strahlungsabsorptionskammer (5) einfallenden Strahls (8) ist durch den auf die Senkrechte bezogenen Eintrittswinkel ß charakterisiert und die Richtung des aus der Strahlungsabsorptionskammer (5) nach mehreren Reflexionen wieder austretenden Strahls (9) durch den auf die Senkrechte bezogenen Austrittswinkel Y.FIG. 2 shows an example of a beam (8) incident in the radiation absorption chamber (5) and the reflections taking place on the two shielding shields (4a and 4b) and on the inclined inner wall (20). The direction of the beam (8) incident in the radiation absorption chamber (5) is characterized by the entry angle β related to the vertical and the direction of the beam (9) emerging from the radiation absorption chamber (5) after several reflections by the exit angle related to the vertical Y.
Durch die erfinderische besondere Form der Strahlungsabsorptionskammer (5), die durch die Neigung der Innenwand (20) um den Winkel α charakterisiert ist, wird erreicht, dass der Austrittswinkel Y stets größer als der Eintrittswinkel ß ist und dadurch bedingt der Austrittsstrahl (9) stets in eine der nächstliegenden Strahlungsabsorptionskammern (5) des Abschirmsystems (2) weiterführt und nicht auf das entfernt aufgestellte Infrarotstrahlung messende Gerät (15) ausgerichtet ist. Dadurch bedingt laufen nachfolgende weitere Reflexionen in anderen Strahlungsabsorptionskammern (5) des Abschirmsystems (2) des Sichtrohres (SR) ab, so dass selbst bei einem großem Reflexionsvermögen der Oberflächen des für das Abschirmsystems (2) verwendeten Materials, wie es beispielsweise bei hitzebeständigem Edelstahl der Fall ist, es immer zu einer ausreichend großen Anzahl von Reflexionen kommt, die zum fast vollständigen Abbau der Energie der Messwert verfälschenden Strahlungsanteile führt.Due to the inventive special form of the radiation absorption chamber (5), which is characterized by the inclination of the inner wall (20) by the angle α, it is achieved that the exit angle Y is always greater than the entrance angle ß and thus conditionally the exit jet (9) always in one of the nearest radiation absorption chambers (5) of the shielding system (2) continues and is not aligned with the remote infrared radiation measuring device (15). As a result, subsequent further reflections take place in other radiation absorption chambers (5) of the shielding system (2) of the viewing tube (SR), so that even with a high reflectivity of the surfaces of the material used for the shielding system (2), as for example in heat-resistant stainless steel Case, there will always be a sufficiently large number of reflections, leading to the almost complete removal of the energy of the measured value distorting radiation components.
Außerdem bewirkt die erfinderische besondere Form der Strahlungsab-
sorptionskammer (5), dass durch das Prinzip der Vervielfachung der Reflexionen mit zunehmender Anzahl von eingesetzten Strahlungs- absorptionskammern (5) und Abschirmschilden (4) auch stets eine weitere Erhöhung der Abschirmwirkung einhergeht.In addition, the inventive special form of Radiation Abatement Sorption chamber (5) that by the principle of multiplying the reflections with increasing number of radiation absorption chambers used (5) and shields (4) always accompanied by a further increase in the shielding effect.
Eine stark absorbierende zusätzliche Oberflächenbeschichtung der Abschirmschilde ist bei besonderen Messbedingungen vorgesehen. Durch die Aufteilung der für ausreichende Strahlungsenergieabsorption notwendigen Anzahl von Reflexionen auf mehrere Strahlungsabsorptionskammern (5) ist auch der Vorteil gegeben, dass der Innendurchmesser der Strahlungsabsorptionskammern (5) relativ klein gehalten werden kann, mit weiteren Vorteilen für die Kühlung des Abschirmsystems (2) und für eine kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Sichtrohres.A highly absorbent additional surface coating of the shields is provided under special measuring conditions. By dividing the necessary number of reflections for sufficient radiation energy absorption on a plurality of radiation absorption chambers (5) there is also the advantage that the inner diameter of the radiation absorption chambers (5) can be kept relatively small, with further advantages for the cooling of the shielding system (2) and for a compact design of the sight tube according to the invention.
Durch die Abschrägung der Abschirmschilde (4) innen (Abschirmschildöffnungen (4c, 4d) mit Winkel δ, mit δ > 0° und vorzugsweise δ < 45° wird verhindert, dass Anteile der Messwert verfälschenden Strahlung, gleichermaßen wie bei glatten Rohr- Innenwänden ohne Abschrägung, durch direkte Reflexion in das Infrarotstrahlung messende Gerät (15) gelangen können. Die Ab strahlungsnormale der Eigenstrahlung und weitere reflektierte Strahlung an diesen schrägen Teilflächen weisen dadurch immer auf die Absorptionskammern (5).
The beveling of the shielding shields (4) on the inside (shield shielding openings (4c, 4d) with angle δ, with δ> 0 ° and preferably δ <45 ° prevents portions of the measured value from distorting radiation, just as in the case of smooth tube inner walls without chamfering , by direct reflection in the infrared radiation measuring device (15) can reach the Ab radiation normal of the own radiation and further reflected radiation at these oblique faces always characterized by the absorption chambers (5).
Claims
1. Vorrichtung zur Unterdrückung von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen bei berührungslos arbeitenden Infrarotstrahlungsmesseinrichtungen in Hochtemperatur- Öfen, typischerweise mit Temperaturen über 5000C, die zwischen dem Infrarotstrahlung messenden Gerät (15) und dem Messobjekt (1) im kleinstmöglichen Abstand (a) zum Messobjekt (1) berührungsfrei angeordnet ist, mit einem im Strahlengang angeordneten, rohrförmigen Abschirmsystem (2) mit einer Abfolge quer zum Strahlengang beabstandet angeordneter Abschirmschilde (4) mit zentralen Strahlendurchgangsöffnungen zum Eliminieren von Überlagerungen der nicht zur Messobjekteigenstrahlung gehörenden Messobjektumgebungsstrahlung, wobei die Innenwände (20) des rohrförmigen Abschirmsystems (2) zusammen mit dem Abschirmschilden (4) mehrere koaxial angeordnete Strahlenabsorptionskammern (5) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Innenwände (20) der Strahlungsabsorptionskammern (5) in Richtung auf das Infrarotstrahlung messende Gerät (15) schräg nach innen zulaufen, mit einem Winkel α > 0°und vorzugsweise α < 20°, der nach Reflexionen in den Absorptions- kammern (5) entstehende Strahlungsaustrittswinkel Y stets größer als der Strahlungseintrittswinkel ß ist.1. A device for suppressing measured value falsifying radiation components in non-contact infrared radiation measuring devices in high-temperature furnaces, typically with temperatures above 500 0 C, between the infrared radiation measuring device (15) and the measurement object (1) at the smallest possible distance (a) to the measurement object ( 1) is arranged without contact, with a tubular shielding system (2) arranged in the beam path and having a sequence of shielding screens (4) arranged transversely to the beam path, with central beam passage openings for eliminating overlays of the measurement object radiation not belonging to the measurement object radiation, wherein the inner walls (20) of FIG tubular shielding system (2) together with the Abschirmschilden (4) form a plurality of coaxially arranged radiation absorption chambers (5), characterized in that the tubular inner walls (20) of the radiation absorption chambers (5) in the direction of the infra Red radiation-measuring device (15) run obliquely inward, with an angle α> 0 ° and preferably α <20 °, which after reflection in the absorption chambers (5) resulting radiation exit angle Y is always greater than the radiation entrance angle ß.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschilde (4) innen (Abschirmschildöffnung 4c, 4d) eine Abschrägung mit einen Winkel δ besitzen, mit δ > 0 und vorzugsweise δ < 45° .2. Device according to claim 1, characterized in that the shield shields (4) inside (shield shield opening 4c, 4d) have a bevel with an angle δ, with δ> 0 and preferably δ <45 °.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmsystem (2) aus gut Wärme leitenden Werkstoff mit entsprechend großen Querschnittsflächen und vorzugsweise 10mm Abschirmschilddicke für eine gute Wärmeableitung besteht, alle seine In- nenflächen Strahlungsenergie aufnehmende Flächen sind und die Außenflächen des Abschirmsystems (2) integrierte Kühlkanäle (3) für einen fließenden Wärmeträger zum Abtransport der absorbierten Energie aufweisen, die Temperatur der Innenflächen des Abschirmsystems (2) durch eine geregelte Wärmeträgertemperatur auf eine im Vergleich zur Strahlungstemperatur des Messobjektes wesentlich niedrigere und vorbestimmt konstante Temperatur gehalten wird, die Entstehung von Messwert verfälschender Sekundärstrahlung der Flächenelemente des Abschirmsystems (2) auch bei hoher Wärmeenergieeinstrahlung in das Abschirmsystem (2) und dementsprechend hoher Energieabsorption verhindert wird, die integrierten Kühlkanäle (3) in gleichmäßig Wärme leitenden Kontakt mit allen Abschirmschilden (4) stehen und eine homogene Temperaturverteilung bewirken.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the shielding system (2) consists of good heat conductive material with correspondingly large cross-sectional areas and preferably 10mm Abschirmschilddicke for good heat dissipation, all his and the outer surfaces of the shielding system (2) have integrated cooling channels (3) for a flowing heat carrier for transporting away the absorbed energy, the temperature of the inner surfaces of the shielding system (2) by a controlled heat transfer to a temperature compared to the radiation temperature of the measured object is held much lower and predetermined constant temperature, the formation of measured value falsifying secondary radiation of the surface elements of the shielding (2) is prevented even at high heat energy into the shielding system (2) and correspondingly high energy absorption, the integrated cooling channels (3) in uniform heat conductive contact stand with all shields (4) and cause a homogeneous temperature distribution.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die das Abschirmsystem (2) begrenzenden Innenflächen einen hohen Absorptionsfaktor besitzen.4. Apparatus according to claim 1,2 or 3, characterized in that the shielding system (2) delimiting inner surfaces have a high absorption factor.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die das Abschirmsystem (2) begrenzenden Innenflächen einer zur Erhöhung des Absorptionsfaktors dienenden Behandlung unterworfen sind.5. The device according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the shielding system (2) delimiting inner surfaces are subjected to a serving to increase the absorption factor treatment.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass alle im Abschirmsystem (2) befindlichen Abschirmschilde (4) parallel zueinander angeordnet sind und die zugehörigen koaxial zur optischen Achse (13) angeordneten Abschirmschildöffnungen (4c, 4d) kreisrund sind und bevorzugt gleich große Durchmesser besitzen.6. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that all shielding in the shield (2) shields (4) are arranged parallel to each other and the associated coaxial with the optical axis (13) arranged Abschirmschildöffnungen (4c, 4d) are circular and preferably the same size Own diameter.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorptionskammern (5) mit Abschirmschilden (4) ca. 85% bis 100% der Länge der Vorrichtung ausfüllen. 7. The device according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the radiation absorption chambers (5) with Abschirmschilden (4) fill about 85% to 100% of the length of the device.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Abschirmsystem (2) durch ein die Kühlkanäle (3) dicht abdeckendes und angepasstes Rohr (7) umhüllt ist, das konzentrisch durch einen vorteilhaft aus hitzebeständigem und korrosionsfestem Material bestehenden äußeren Mantel (8) umfasst ist, der Zwischenraum mit hitzebeständigem, Wärme isolierendem Material (9) gefüllt ist, sodass der funktions- und betriebssichere Einsatz der Vorrichtung in Messobjektnähe bei hohen Umgebungstemperaturen von 5000C und mehr ermöglicht ist.8. The device according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the tubular shielding system (2) by a cooling channels (3) tightly covering and adapted pipe (7) is enveloped concentrically by an advantageous heat-resistant and corrosion-resistant material outer sheath (8), the gap is filled with heat-resistant, heat insulating material (9), so that the functional and reliable use of the device in the vicinity of the measuring object is possible at high ambient temperatures of 500 0 C and more.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des Infrarotmessgerätes ( 15) ein Flansch (6) angebracht ist, der mit dem äußeren Mantel (8), dem Rohr (7) und dem Abschirmsystem (2) fest verbunden und für den Anschluss von äußeren Elementen angepasst ist, sowie Kühlkanalanschlüsse enthält.9. The device according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that on the side of the infrared measuring device (15), a flange (6) is mounted, with the outer jacket (8), the tube (7) and the shielding (2 ) is firmly connected and adapted for the connection of external elements, as well as cooling duct connections.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass ihre Strahleneingangsöffnung nahe des Messobjektes nach der Regel D/a > 2 angeordnet ist.10. The device according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that their radiation input opening is arranged near the measurement object according to the rule D / a> 2.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ihre Längsachse im Winkel von 90° ± 10° zur Messfleckebene des Messobjektes ausgerichtet ist. 11. The device according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that its longitudinal axis is aligned at an angle of 90 ° ± 10 ° to the measurement spot plane of the measurement object.
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