DE3605737A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen
Messung der Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten
und gasförmigen Medien, die insbesondere Licht, Wärme
und Mikrowellen abstrahlen, bei dem über die Messung
der Strahlungsleistung die Temperatur bestimmt wird. Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch
führung dieses Verfahrens, mit einem Detektor und einer
Signalauswertung zur Ermittlung der Temperatur über die
Messung der Strahlungsleistung.
Temperaturmessung oder Temperaturregelungen erfolgen
bisher bekannterweise entweder mittels Thermoelemente
oder Temperaturmesswiderstände, die in direktem guten
thermischen Kontakt mit dem Messobjekt stehen müssen.
Die Thermospannung oder der Meßstrom wird durch elek
trische Leitungen zum Auswertegerät übertragen, das von der
Meßstelle relativ entfernt angeordnet sein kann.
Es sind auch berührungslose Temperaturmeßverfahren für
Wärmestrahlung bekannt, die durch optische Meßgeräte, wie
Pyrometer, erfaßt und ausgewertet werden. Hierbei muß die
zu messende Oberfläche mit dem Pyrometer in Sichtkontakt
sein, wodurch die Meßstreckenlänge begrenzt wird. Abgese
hen davon, hängt die gemessene Leistung vom Emissionsfak
tor der Oberfläche und von den Übertragungsverhältnissen
der zwischen Oberfläche und Pyrometeroptik liegende
Strecke ab. Bei den Wärmebehandlungsverfahren kann sich
das Emissionsvermögen der Oberfläche ändern, oder es kann
zwischen Oberfläche und Optik Absorption von Wärmestrah
lung durch Gase, Staubteilchen oder Dämpfe stattfinden,
die das Meßergebnis nachteilig beeinflussen. Wegen des
aufwendigen optischen Strahlungsammelsystems und der er
forderlichen umfangreichen Detektor- und Signalverarbei
tung ist dieses Verfahren kostspielig und verlangt zur
Durchführung geschultes Personal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmes
sung zu schaffen, die sich durch hinreichende Genauigkeit
und vergleichsweise geringen apparativen Aufwand aus
zeichnet. Insbesondere sollte es ermöglicht werden, die
Messung in beliebiger Entfernung von dem zu messenden
Objekt durchzuführen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zumindest ein Teil der Strahlung in einen Kanal aufgefan
gen durch Reflexion im Kanal weitertransportiert und an
schließend der Messung zugeführt wird. In den Patentan
sprüchen 2 bis 4 werden bevorzugte Ausführungsformen des
Verfahrens beschrieben. Die Patentansprüche 5 bis 14
betreffen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft demzufolge ein kon
taktloses Temperaturmeßsystem, das die vorteilhaften Ei
genschaften der berührenden Temperaturmessung mittels
Thermoelementen oder Temperaturmeßwiderständen mit denen
der kontaktlosen Temperaturmessung durch Pyrometer verei
nigt. Die Erfindung basiert auf die physikalische Er
kenntnis, daß Strahlungen, wie sichtbares Licht, Wärme
strahlen oder Mikrowellen, die von dem zu untersuchenden
Objekt emittiert werden, durch einen in der Nähe ange
brachten, vorzugsweise rohrförmigen Kanal geleitet wer
den können. Eine Optik zum Auffangen der Strahlung ist
dabei nicht notwendig. Die Strahlung wird an der Innen
wandung des Kanals mehrmals reflektiert und dann auf ei
nen, weiter entfernt angebrachten Detektor gerichtet.
Erfindungsgemäß wird der Kanal, der vorzugsweise einen
Innendurchmesser zwischen 0,1 mm bis wenige Millimetern
aufweist, in relativ geringer Entfernung zur Meßoberflä
che, vorzusgweise in einem Abstand von 0,1 mm und einigen
Zentimetern, angeordnet. Der Kanal besteht aus einem Ma
terial mit hohem Reflexionsvermögen für die Strahlung.
Als vorteilhaft haben sich dabei Rohre aus unterschied
lichen Metallen und Legierungen, z.B. Aluminium, Stahl,
Kupfer, Nickel, Messing, Wolfram und dgl. erwiesen.
Solche Metalle und Legierungen weisen ein hohes Ref
lexionsvermögen für Strahlung im sichtbaren und infraro
ten Spektralbereich der Wärmestrahlung auf. Zum anderen
wird bei quasi streifendem Strahlungseinfall das Refle
xionsvermogen erhöht und dadurch eine fast 100 prozentige
Transportleistung erreicht werden. Lediglich Ober
flächenrauhigkeiten, die wesentlich größer sind als die
Wellenlänge der Strahlung müssen beseitigt sein. Eine Re
flexion läßt sich auch bei Kunststoff- oder Glasrohren
erzielen, deren Innenwandung mit einer geeigneten Be
schichtung versehen ist, wie sie bei Mikrowellenleitern
oder Hohlleitern vorkommen.
Hat der Kanal aus Gründen einer praktischen Verlegung
Biegungen, dann kann die Strahlung erfindungsgemäß durch
einen Spiegel umgelenkt werden. Hierfür wird der an der
Umlenkung gewinkelte Kanal an der Spitze der Umlenkung
schräg abgeschnitten und die Schnittfläche wird durch den
Spiegel abgedeckt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Um
lenker ist hoch effizient und relativ leicht herstellbar.
Würde man dagegen entlang von Kreissektoren gebogene
Rohre verwenden, so würde ein relativ hoher Verlust von
transmittierter Strahlung auftreten.
Für die Fertigung des erfindungsgemäßen Umlenkers sind
konventionelle Kupferrohre oder Rohre aus ähnlichen
hochreflektierenden Metallen mit hinreichend niedriger
Oberflächenrauhigkeit einsetzbar. Es ist kein extra Po
liervorgang notwendig. Die Rohre werden nur geschnitten
oder gefräst und danach geklebt oder gelötet. Der eigent
liche Spiegel ist das einzige Bauteil, das höhere
Anforderungen erfüllen soll. Die Spiegeloberfläche muß
sehr glatt sein und ein hohes Reflexionsvermögen für die
umzulenkende Strahlung aufweisen. Für den sichtbaren und
infraroten Spektralbereich können Glasspiegel eingesetzt
werden, die mit einer entsprechenden Metallschicht, z. B.
aus Silber oder Aluminium, bedampft worden sind. Auch Me
tallspiegel sind geeignet. Solche spiegelähnliche Umlen
ker für Strahlung ergeben z. B. für Wärmestrahlung von
etwa 500°C im Falle von Rohren mit 15 mm innerem Durch
messer eine Effizienz von über 80% oder im Falle von Roh
ren mit 8 mm innerem Durchmesser eine Effizienz von über
90%.
Erfindungsgemäß lassen sich für die zu transportierende
Strahlung Transmissionsrohre oder Systeme anordnen, die
abwechselnd aus geraden Rohren und aus Spiegelumlenkern
bestehen. Dadurch kann die Auswertungsanlage relativ weit
weg von der Meßstelle angebracht werden.
Erfindungsgemäß wird die durch den Kanal transportierte
Strahlung von einem Detektor erfaßt, der mit dem anderen
Ende des Kanals verbunden ist. Hierzu können verschiedene
Detektoren herangezogen werden. Dabei muß die spektrale
Empfindlichkeit des Detektors an die von dem Meßobjekt
ausgesandte Strahlung angepaßt werden. Die Wärme
strahlung z. B. liegt nach dem Planck′schen Strahlungs
gesetz im infraroten Spektralbereich, d. h. zwischen
einigen Mikrometern und etwa 30 µm Wellenlänge, solange
die Strahlertemperatur unter etwa 700°C liegt. Bei höhe
ren Strahlertemperaturen wird ein Anteil kurzwelliger,
sichtbarer Strahlung emittiert. Verwendbar sind z. B.
thermische Detektoren, wie Bolometer, oder pyroelektri
sche Detektoren, die im Spektralbereich zwischen etwa 0,5
µm, also sichtbares Licht, und 20 µm, also Infrarotstrah
lung, eine einigermaßen von der Wellenlänge unabhängige
Empfindlichkeit zeigen.
Auch Detektoren aus Bleiselenid, Bleisulfid, Germanium
oder anderen Halbleitermaterialien sind geeignet. Wenn
die Strahlertemperatur im Bereich zwischen etwa 200°C und
1000°C liegt, weisen Bleisulfid-Detektoren ein relativ
hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Bei wesentlich hö
heren Temperaturen, insbesondere über etwa 1300°C, sind
auch noch Detektoren, die für kürzere Wellenlängen em
pfindlich sind, vorteilhaft einzusetzen, z. B. Silizium-
Detektoren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem De
tektor geeignete optische Filter angebracht oder es wird
eine Kombination der Signale von zwei Detektoren mit un
terschiedlicher spektraler Empfindlichkeit bestimmt.
Hierbei handelt es sich um Zweifarbenpyrometrie. Der
Quotient der Strahlungsleistung in zumindest zwei ver
schiedenen spektralen Kanälen ist dann direkt proporti
onal zur Strahlertemperatur. Man empfängt dabei zwar
geringere Strahlungsintensitäten, die erhaltene Informa
tion ist jedoch in gewissen Grenzen unabhängig vom Emmi
sionsvermögen des zu messenden Objekts sowie von
Strahlungsverlusten durch Absorption und Reflexion in der
Atmosphäre und an den Rohren, solange diese Verluste in
den beiden spektralen Bereichen gleicherweise auftreten.
Die Auswertbarkeit der gemessenen Strahlungsleistung wird
noch erhöht, wenn vor dem Detektor ein Strahlungsunter
brecher angeordnet wird. Dann kann das Detektorsignal
mittels eines Wechselspannungs-Voltmeters oder Lock-in-
Verstärkers, das auf der Unterbrecherfrequenz einge
stellt ist, empfangen werden. Bei genügend hohen Strah
lungsintensitäten kann auch auf den Unterbrecher ver
zichtet und direkt das Detektorsignal gemessen werden.
Bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Verfah
rens sind beispielsweise Heizungsanlagen oder die Durch
führung von Spektralanalysen an Gasen, Untersuchungen von
Verbrennungs- oder Wärmebehandlungsvorgängen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslo
sen Messung der Temperatur einer Festkörperober
fläche und
Fig. 2 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung einer
Strahlungsumlenkung mit Spiegel.
In Fig. 1 ist ein zu messendes Objekt (1) dargestellt,
dessen Oberfläche (2) beispielsweise Wärmestrahlung, d.h.
Infrarotstrahlung, oder Lichtstrahlen in Richtung der
Pfeile (3) emittiert. Von der Oberfläche (2) ist in Abstand
ein Rohr (4) angeordnet, das die Strahlung aufnimmt und di
rekt (5) sowie durch Reflexion (6) an der Innenwand (7) zum
Detektor (8) transportiert.
Das Rohr (4) weist im Bereich des Detektors (8) weiterhin
einen Unterbrecher (9) auf, wodurch die Strahlung, insbe
sondere sichtbares und infrarotes Licht, moduliert werden
kann. Das Detektorsignal kann dann unmittelbar durch ein
auf die Unterbrecherfrequenz eingestelltes Wechsel
spannungsvoltmeter (10) empfangen werden. Dazu ist auch
ein üblicher Lock-in-Verstärker geeignet.
Der Abstand zwischen emittierender Oberfläche (2) und dem
gegenüberliegenden offenen Ende des Rohres (4) sollte
zwischen 0,1 mm und maximal 100 cm liegen, weil hierbei
die beste Strahlungsaufnahme je nach Strahlungsart und zu
messender Temperatur gewährleistet ist.
Auch der Innendurchmesser des Rohres hat Einfluß auf den
Strahlungstransport. Je größer der Rohrinnendurchmesser
ausgelegt ist, desto größer ist auch die vom Rohr zum De
tektor transportierte Strahlung. Eine gut zu messende
Strahlungsleistung ist mit Rohrinnendurchmessern im Be
reich von 0,1 mm bis 50 mm gegeben.
Weist das die Strahlung transportierende Rohr (4) starke
Biegungen oder Umlenkungen auf, dann kann auf dem Trans
port Strahlungsleistung verlorengehen. Dies wird erfin
dungsgemäß dadurch vermieden, daß das Rohr (4) im ge
wünschten Winkel aneinander gefügt und die Ecke abge
schnitten wird. An dieser Stelle wird dann ein die Strah
lung reflektierender Spiegel (11) angebracht, wie es als
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel bei einer 90 Grad Um
lenkung in Fig. 2 dargestellt ist.
Claims (14)
1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von
Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien, die
insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen, bei
dem über die Messung der Strahlungsleistung die
Temperatur bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu
mindest ein Teil der Strahlung in einem Kanal aufgefangen,
durch Reflexion im Kanal weitertransportiert und an
schließend der Messung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungsleistung in zumindest zwei spektralen
Bereichen bestimmt wird und aus ihrem Quotienten die
Temperatur ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsleistung durch Quanten- oder thermische
Detektoren gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die spektrale Empfindlichkeit des
Detektors an die jeweilige Wellenlänge der vorliegenden
Strahlung angepasst wird.
5. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur
von Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien,
die insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen,
zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 4, mit einem Detektor und einer Signalauswertung
zur Ermittlung der Temperatur über die Messung der
Strahlungsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal
(4) vorgesehen ist, in dem die Strahlung (3) durch Re
flexion transportierbar ist, daß ein Ende des Kanals (4)
berührungslos vor der Oberfläche (2) des Festkörpers oder
der Flüssigkeit oder in dem gasförmigen Medium angeordnet
ist und daß das andere Ende des Kanals (4) mit dem Detektor
(8) sowie der Einheit (10) zur Signalauswertung verbunden
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kanal (4) rohrförmig ausgebildet ist und einen geringen
inneren Durchmesser von 0,1 bis 50 mm, vorzugsweise 1 bis
10 mm, aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Kanal (4) mit einem Ende in geringem Abstand
von der Oberfläche (2) des Festkörpers oder der Flüssig
keit angeordnet ist, vorzugsweise in einer Entfernung von
0,1 mm bis 100 cm, insbesondere 5 bis 20 cm, von der
Oberfläche (2).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kanal (4) biegsam ist und/oder
Biegungen und Umlenkungen aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Spitze der Umlenkung abgetrennt ist
und die Schnittfläche durch einen, vorzugsweise flachen
Spiegel (11) abgedeckt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kanal (4) aus einem metallischen
Werkstoff mit hohem Reflexionsvermögen besteht oder aus
Kunststoff hergestellt und auf den Innenwänden mit einer
reflektierenden Beschichtung versehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als Detektoren (4) Quantendetektoren
oder thermische Detektoren, wie Pyrometer, Bolometer oder
Thermistoren, vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlung (3) von mindestens zwei
Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit
erfaßbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Kanal (4) und dem De
tektor (8) optische Filter angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Kanal (4) und dem Detektor
(8) ein Strahlungsunterbrecher (9) angeordnet ist.
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