Strahlungspyrometer.
Bekannte Formen von Pyrometern, die auf die Strahlung eines heissen Körpers ansprechen, sind einer Vielzahl von Beschränkungen und Fehlerquellen ausgesetzt, z. B. wegen des Unterschiedes im Strahlungsvermögen versehiedener Korper, wie auch wegen der Ver änderungen des Strahlungsvermögens mit der Wellenlänge, sowie weiterer Faktoren, was bedeutet, dass im allgemeinen der Temperaturbereich, in dem ein Pyrometer Verwendung finden kann, begrenzt ist, und dass es für seinen speziellen Verwendungszweck und ent- sprechend den momentanen Betriebsbedingungen geeicht werden muss.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Pyrometer zu schaffen, bei welchem viele dieser Einschränkungen und Fehler vermieden sind.
Nach dem Strahlungsgesetz von Planck ist die von einem heissen Körper ausgestrahlte Energie EO, AL im Wellenldngenbereich von 0 bis 21 gegeben durch
EMI1.1
<tb> <SEP> Cs
<tb> Eo, <SEP> T <SEP> 'T <SEP> 1-f-... <SEP> kleinere <SEP> Glieder <SEP> 1
<tb> <SEP> C, <SEP> A"3 <SEP> I
<tb> wobei C1 und C2 konstant sind und T die absolute Temperatur bedeutet und angenom- men wird, dass C2/#1T e # 1
Nimmt man daher die Energie, die von zwei Wellenlängenbereichen 0 bis #1 und 0 bis 22 ausgestrahlt wird, so wird das Verhältnis zwischen beiden Energieintensitäten folgende Form aufweisen :
EMI1.2
Dieses Verhältnis kann folgendermassen dargestellt werden :
EMI1.3
Es zeigt sich also, dass dieses Verhältnis eine Exponentialfunktion der Temperatur ist.
Die oben gemachten Feststellungen enthalten einige Annahmen, es kann aber gezeigt wer ien, dass dieselben gerechtfertigt sind und die Verwendbarkeit dieses Verhältnisses zur Tem peraturmessung nicht wesentlich beeinflussen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein trahlungspyrometer vorgesehen, das optische Mittel aufweist, durch welche von einer NVärmequelle herrührende Strahlen über zwei getrennte Wege einem Detektor zugeführt werden, an welchen eine Vorrichtung angeschlossen ist, die ein Signal abgibt, dessen 3rosse von der auf den Detektor fallenden Strahlenintensität abhängt, während eine wei : ere Vorrichtung abweehslungsweise die über lie beiden Wege einfallenden Strahlenbündel luf den Detektor führt, wobei eine Filtervor oichtung in wenigstens einem der beiden Wege vorhanden ist, um die hindurchgehenden Strahlen auf einen vorbestimmten Wellenlän ;
enbereich zu begrenzen, und wobei eine Vorcichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die , xr6Be der Signale, welche von den beiden Strahlenbündeln erzeugt werden, miteinander eu vergleichen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen- ; tandems sind auf der beiliegenden Zeichnung 7argestellt.
Fig. 1 ist ein schematischer Grundriss.
Fig. 2 ist ein schematischer Seitenriss eines Pyrometers.
Fig. 3 zeigt ein Detail, und
Fig. 4 zeigt ein weiteres Detail des in Fig. 1 und 2 dargestellten Pyrometers.
Fig. 5 ist die schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines Pyrometers.
Entsprechend den Zeichnungen weist das Pyrometer ein lichtundurchlässiges Gehäuse I auf, an dessen Vorderseite ein optisches Syitem 2 angeordnet ist. Dieses System besitzt swecks Scharfeinstellens eine in axialer Rich : ung verschiebbare Linse. Dahinter befindet sieh ein keilförmiger Spiegel 3, welcher das antretende Strahlenbündel in zwei nach lussen gerichtete Strahlenbündel aufteilt. Wei : ere Spiegel 4 und 5 sind so angeordnet, dass , ie die nach aussen gerichteten Strahlen wieler auf einen an der Rückwand des Geliauses befindlichen durchseheinenden Schirm 6 wer fen.
Dieser Schirm dient als llattseheibe, um das Pyrometer auf einen Körper oder den Punkt eines Körpers, dessen Temperatur bestimmt werden soll, einzustellen. Im Weg der zwei Strahlenbündel, die von den Spiegeln 4 und 5 kommen, befindet sich ein weiterer Spiegel 7, der an einem Stab 8 befestigt ist, der durch das Gehäuse naeh aussen geführt und mit einem Handgriff 9 versehen ist, womit der Spiegel aus dem Strahlengang ent fernt werden kann, um das oben besehriebene Einstellen des Pyrometers durehzuführen.
Wenn der Spiegel 7 sich an seinem Platz befindet, wirft er die zwei Strahlenbündel nach vorn auf einen Detektor 10, der aus einer photoelektrischen Zelle, z. B. einer Bleisulfid- zelle, besteht. Auf diesem Weg gehen die Strahlen durch einen Unterbrecher hindureh. der durch den Rand einer Unterbrecherscheibe 11 gebildet wird, welche ihrerseits auf der Achse eines Motors 12 befestigt ist. Die Rückseite der Unterbrecherscheibe 11 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Scheibe besitzt einen gleichmässig. ausgezackten Rand, wobei die Zähne die gleiche Umfangslänge wie die dazwischen liegenden Zwisehenräume aufweisen.
Die Umfangslänge der Zähne wurde so gewählt, dass die in der Bleisulfidzelle 10 durch die Halbstrahlen erzeugten Signale eine Phasenverschiebung von 180 aufweisen.
Hinter der Vorderwand des Gehäuses 1 ist eine Scheibe 13 (Fig. 2) vorgesehen, die durch einen Einstellknopf 14 so gedreht werden kann, dass ein ausgewähltes Paar von sechs auf der Scheibe 13 angebraehten Filtern vor die in der Vorderseite des Gehäuses vorge- sehenen Offnungen 15 und 16 gebracht werden kann, durch die die Halbstrahlenbündel von den Spiegeln 4 und 5 hindurchgehen. Die auf der Scheibe 13 angebrachten Paare von sechs Filtern sind in Fig. 3 mit 17a, 17b bis 17f bezeichnet. Die Filter 17D und 17c bilden ein Paar, 17d und 17e ein weiteres und 17f und 17a ein drittes Paar.
Jedes Filterpaar besteht aus einem Filter, der das Wellenband 0 bis #1, und einem zweiten, der das Wellenband 0 bis 22 ergibt, wobei jedes Paar einem gege- benen Temperaturmessbereieh zugeordnet ist.
Die Wahl des Filtermaterials hangt von den Temperaturbereichen ab, in denen die Messungen gemacht werden sollen. Es wurde testgestellt, dass bei Verwendung einer Bleisulfidzelle als Filtermaterial Zelluloseacetat sowie ein unter der eingetragenen Handels- narke Perspex bekanntes Material verwen clet werden können. Um den Prozentsatz der auf den Detektor einfallenden Strahlen zu vermindern, können neutrale Filter verwendet werden, so dass im Rahmen der möglichen Blendenöffnungen das Messverhältnis mit und ohne Filter hergestellt werden kann. In einem Beispie] wurden zwei solche, aus Drahtgaze bestehende Filter verwendet, von welchen einer etwa 50 /o, der andere etwa 15 /o der cinfallenden Strahlung durehliess.
In folgen- den Bereichen wurden Temperaturen bei Verwendung der vier oben beschriebenen Filtertypen erfolgreich gemessen : Für Temperaturen bis zu 550 C wurde ein neutraler Filter von 50 /o Durchlässigkeit für die Messung von 0 bis/ und ein Zelluloseacetatfilter von 2, 4 mm Dieke für die Messung von 0 bis 22 verwendet. Temperaturen zwischen 550 und 1200 C wurden bei Verwendung eines neutralen Filters von 15"/o Durchlässigkeit und eines Perspexfilters von 1 cm Dicke gemessen.
Temperaturen von 800 C bis 1700 C wurden erfolgreich gemessen bei Verwendung eines neutralen Filters von 50 /o Durehlässigkeit und eines Perspexfilters von 1 cm Dieke. Die Wahl des Filtermaterials hängt vom zu messenden Temperaturbereich ab ; es können eine grosse Anzahl von Materialien ausgewählt werden.
Das optische System 2 enthält vor der Linse eine Blende, die im Detail in Fig. 4 : dargestellt ist und mit 18 bezeichnet ist. Die Blende besteht aus vier 90 -Sektoren, wobei der obere und untere Sektor dauernd undurehsiehtig bleiben, während die beiden freien Sektoren zwei Strahlenbündel durchlassen, welche die oben erwähnten Halbstrah lonbündel ergeben. Einer dieser Sektoren kann durch einen Flügel 19 in veränderlichem Mass abgedeekt werden. Der Fliigel 19 wird durch einen Lebel 20 bewegt, der so weit nach oben ragt, dass er neben eine Skala 21 zu liegen kommt, auf der die Stellung des Hebels 20 abgelesen werden kann.
Die photoelektrisehe Zelle 10 ist an einen passenden Verstärker angeschlossen, der in Fig. 1 und 2 symbolisch durch eine Röhre 22 angedeutet ist. Die vom Verstärker abgegebene Energie wird in einem phasenempfindlichen Gleichrichter, z. B. dem im britischen Patent Nr. 592835 beschriebenen, gleichgerichtet und einem mit Mittelpunktsnullstellung versehenen Messgerät 23, das ausserhalb des Gehäuses 1 befestigt ist, zugeführt.
Die Arbeitsweise des Pyrometers ist die folgende : Wenn der Temperaturbereich, in dem die zu messende Temperatur liegt, bekannt ist, wird der Knopf 14 so gedreht, dass das entsprechende Filterpaar 17 in seine Wir kungslagen vor die Offnungen 15 und 16 gebracht wird. Der Spiegel 7 wird aus dem Strahlengang entfernt, und der Apparat wird auf den Körper, dessen Temperatur gemessen werden soll, gerichtet. Die Scharfeinstellung auf den interessierenden Punkt geschieht mit ; Hilfe der Mattscheibe 6 (vorausgesetzt, dass der Körper sichtbare Strahlen aussendet).
Daraufhin wird der Spiegel 7 in seine urspriingliche Lage zuriickgedreht und die Un- terbrecherscheibe 11 anlaufen gelassen. Ein Aussehlag wird nun auf dem Messgerät 23 siehtbar werden, worauf die Blende 19 mittels des Hebels 20 so eingestellt wird, bis das Messgerät auf Null steht. Das bedeutet, da-ss die von der Photozelle aufgenommene Energie für beide Halbstrahlenbiindel die gleiche ist oder mit andern Worten, dass des Verhältnis zwischen den beiden Sektorenöffnungen der Blende 18 gleich dem reziproken Verhältnis der Intensitäten in den beiden Wellenlängenbereichen ist. Die Stellung des Hebels 20 auf der Skala 21 ist somit eindeutig von der zu messenden Temperatur abhängig, und die Skala 21 kann direkt als Temperaturskala geeieht sein.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Pyrometers, das eine Weiterausbildung des oben besehriebenen und in Fig. 1 bis 4 dargestellten Pyrometers ist. Gleiche Teile sind in Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 bis 4. In Fig. 5 ist die Unterbreeherscheibe näher gegen die Riiekwand des Apparates versetzt und ihre Vorderseite reflektierend ausgebildet, so dass die Scheibe selbst die eintreffenden Strahlen nach vorn auf die Bleisulfidzelle 10 reflektiert. Dadurch wird der in der vorhergehenden Anordnung benötigte Spiegel 7 überflüssig.
Der Rand der Unterbrecherscheibe ist natürlich so geformt, dass zur gleichen Zeit nur eines der beiden auftreffenden Strahlenbündel reflektiert wird, so dass immer eines der beiden Strahlenbiindel auf die Mattscheibe 6 in der Rückwand des Gehäuses fällt. Diese Anordnung hat einen weiteren Vorteil, näm- lich, dass während der ganzen Messung ein Bild des heissen Korpers auf der Mattscheibe sichtbar bleibt (vorausgesetzt, dass sichtbare Strahlen vorhanden sind).
Ferner zeigt Fig. 5 in schematischer Art Anordnungen, die eine automatische Selbsteinstellung des Pyrometers sowie eine fortlaufende Aufzeichnung der Temperaturen ermöglichen. In der gezeigten Anordnung wird der in der Zelle 10 erzeugte Strom einem Verstärker 30 und weiter einem phasenemp findlichen Gleichrichter 31 zugeführt, der einen positiven oder negativen Strom liefert, je nachdem, welches von den beiden Signalen, die von den beiden Strahlenbündeln in der Photozelle erzeugt werden, stärker ist. Dieser Strom wird einem mit Mittelpunkts-Nullstel- lung versehenen Messgerät und gleichzeitig einem weiteren Verstärker 33 zugeführt.
Der Strom aus dem Verstärker 33 treibt einen Servomotor 34 in einer von beiden Drehrich tungen, entsprechend dem Vorzeichen des Fehlersignalstromes. Der Motor 34 stellt über ein passendes Zahnrad 35 und einen Zahnkranz 36 die Blende 19 ein (siehe Fig. 4). Das ganze Getriebe ist so eingestellt, dass sich die Blende entsprechend dem Fehlersignal, das durch den phasenempfindlichen Gleichrichter 31 geliefert wird, so einstellt, dass das Feh lersignal herabgesetzt wird. Wenn die ganze Anordnung korrekt eingestellt ist, kann das Fehlersignal am Messgerät 32 auf Null gehalten werden. Die Stellung des Blenden versehlusses 19 zeigt jederzeit die zu messende Temperatur an.
Ferner werden diese Bewegungen durch das vom Servomotor angetriebene Zahnrad 37, Welle 38, Getriebe 39, Welle 40 und Getriebe 41 auf eine Schreibfeder 42 übertragen, die auf einer durch ein Uhrwerk angetriebenen Registriertrommel 43 den Temperaturverlauf aufzeichnet.
Auf Wunsch kann natiirlich das Signal aus dem Verstärker 33 auch dazu benützt werden, um die zu messende Temperatur zu steuern, derart, dass die Vorrichtung als Thermostat arbeitet.
Die in den Zeichnungen dargestellten und in bezug darauf beschriebenen Vorrichtungen lassen sich natürlich noch in verschiedener Hinsicht variieren. So kann es unter Umstän- den besser sein, zwei getrennte Offnungen für die Strahlenbündel zu verwenden, wobei jedem Strahlenbündel ein eigenes optisches System zugeordnet wird. Bei einer solchen Anordnung ist es natürlich wünschenswert, eine Ein- stellmöglichkeit für das doppelte optische Sy- stem vorzusehen, damit die beiden Objektiv- linsen auf einen gemeinsamen Punkt, dessen Temperatur zu messen ist, gerichtet werden können.
Das hier verwendete Prinzip, das Verhältnis von Strahlungsintensitäten desselben Korpers zu vergleichen, verhindert jeden Fehler, der wegen des Unterschiedes im absoluten Strahlungsvermögen der zu prüfenden Korper auftreten konnte.
Messungen, die mit einem solchen Pyrometer gemacht werden, sind unabhängig von der Grosse der Temperaturquelle und der Distanz davon. Es ist deshalb nicht nötig, das Pyrometer an Ort und Stelle zu eichen.
Wenn das Gesetz, nach welchem die Blende das Verhältnis zwischen den beiden eintreffenden Strahlungsintensitäten steuert, dem Gesetz zwischen diesem Verhältnis und der Temperatur entspricht, ergibt sich eine lineare Temperaturskala.
Bei passender stroboskopischer Verwen dung des Pyrometers ist es möglich, die Tem peratur eines sich kreisförmig bewegenden Teils zu messen, z. B. eines speziellen Punktes am Umfang eines rotierenden Rades, solange es möglich ist, die Belichtungszeit des Pyrometers mit der Drehbewegung des fraglichen Körpers zu synchronisieren. Ohne stroboskopisehe Vorrichtung ist es dagegen möglieh, die Temperatur eines Teils zu messen, der dem Pyrometer mit Unterbrüehen ausgesetzt wird, vorausgesetzt, dass diese Unterbrüche lang sind im Vergleich mit der Frequenz, mit der die einfal. lenden Strahlenbiindel durch die Unterbrecherscheibe unterbrochen werden.
Ein solches Pyrometer kann so konstruiert werden, dass es die Temperatur nur auf einem ganz kleinen Ausschnitt misst, wodurch es möglich ist, die Temperaturverteilung auf einer Oberfläche zu studieren.
Durch stroboskopische Verwendung der Vorrichtung ist es möglich, einen bestimmten Absehnitt eines wiederkehrenden Temperaturkreislaufes zu prüfen.
Die Wahl des Detektors hängt von den verwendeten Filtern und vom Temperaturbereich, für den das Pyrometer vorgesehen ist, ab. Photoelektrische Zellen werden am allge- meinen sowohl hinsichtlich der erreichbaren Geschwindigkeit des Messvorganges als auch wegen der bei dieser Art von Strahlungsdetektor abgegebenen wünsehenswerten Charakteristik des spektralen Ansprechens bevor zugt.