CS253028B1

CS253028B1 - Radiation pyrometer

Info

Publication number: CS253028B1
Application number: CS856352A
Authority: CS
Inventors: Antonin Glanc; Jaroslav Janousek
Original assignee: Antonin Glanc; Jaroslav Janousek
Priority date: 1985-09-05
Filing date: 1985-09-05
Publication date: 1987-10-15
Also published as: CS635285A1

Abstract

Radiační pyrometr je určen pro práci v horkých prostředích s egresivní chemickou atmosférou obsahující volná mechanické částice a je vytvořen tak, aby mohl být instalován přímo uvnitř měřeného prostoru. Ze tím účelem je v dutém tělese s dvojitými stěnami protékanými chladící kepalinou upravena před tepelně propustnou folií prstencová komora s přívodem tlakového vzduchu a se dvěma systémy trysek pro chlazení a čištění propustné folie. V zadní části dutého tělesa je vytvořena rozvodná komora, na kterou navazuje šroubovicový kanál oro usměrnění průtoku chladící kapaliny mezi dvojitými stěnami.,. V přední části dutého tělesa je íroubóvicový kanál vyústěn do dutiny obklopující vstupní kužel, kam ústí též výstupní hrdlo pro chladící kooalinu. Další znaky řešení se týkají uspořádání prvků oyroelektrického detektoru uvnitř chlazené schránky v dutém tělese.The radiation pyrometer is designed for operation in hot environments with aggressive chemical atmospheres containing free mechanical particles and is designed so that it can be installed directly inside the measured space. For this purpose, in a hollow body with double walls flowing with cooling fluid, an annular chamber is arranged in front of the heat-permeable foil with a supply of compressed air and two nozzle systems for cooling and cleaning the permeable foil. In the rear part of the hollow body, a distribution chamber is created, to which a helical channel is connected to direct the flow of cooling fluid between the double walls. In the front part of the hollow body, the helical channel opens into a cavity surrounding the inlet cone, where the outlet neck for cooling fluid also opens. Other features of the solution relate to the arrangement of the elements of the pyroelectric detector inside the cooled box in the hollow body.

Description

Vynález se týká radiačního pyrometru pro práci v horkých prostředích.The invention relates to a radiation pyrometer for working in hot environments.

Jsou již známy radiační pyrometry pro dálkové měření teploty, které se vSak umístují vně měřeného prostoru, od něhož je odděluje zpravidla křemíkové okno, přes které snímají teplotní poměry ve sledovaném prostoru. Tato opatření úspěšně plní své funkce zpravidla do teploty 70 °C, nad níž počíná selhávat jejich elektronike. Jejich hlavním nedostatkem je však omezený rozsah sledovaného prostoru, který lze zachytit přes křemíkové okno. Jde-li o zjištovéní teplotních pochodů probíhajících v nedostupné vnitřní konstrukci nějakého zařízení, nevíc v agresivní chemické atmosféře, pak zmíněné známé radiační pyrometry funkčně selhávají, i když byly již učiněny pokusy o jejich ochlazení přiváděnou chladící kapalinou, jakož i o ofukováni čelního okna stlačeným vzduchem omezujícím usazování hmotných částic.Radiation pyrometers for remote temperature measurement are already known, but they are located outside the measured space, from which they are usually separated by a silicon window, through which they sense the temperature conditions in the monitored space. These measures successfully perform their functions usually up to 70 ° C above which their electronics begin to fail. Their main drawback, however, is the limited extent of the monitored area, which can be captured through a silicon window. When it comes to detecting temperature processes taking place in an inaccessible internal structure of a device, particularly in an aggressive chemical atmosphere, the known radiation pyrometers fail to function, even though attempts have already been made to cool them with the coolant supplied and to blow the windscreen with compressed air settling of particulate matter.

Tato opatření u známých pyrometrů nebyla propracována do funkčně vyhovující technické úrovně, takže sice umožnila ponechat nějakou dobu radiační pyrometr v méně agresivním prostředí uvnitř technologického zařízení, ale neposkytla záruku dlouhodobého spolehlivého provozu ve skutečně těžkých provozních podmínkách. Například chlazení radiačních pyrometrů pomocí chladící kapaliny u známých provedení těchto měřidel často nepřineslo požadovaný účinek, jestliže v konstrukci skříně pyrometrů se vyskytovala místa nedostatečně protékaná chladící kapalinou. Obdobně ofukováni čelního okna někter rých pyrometrů stlačeným vzduchem nedokázalo zabránit úsadám mechanických částic na čelních oknech, nebot se nebral zřetel na poznatky z teorie proudění, takže před čelními okny těchto radiačních pyrometrů vznikaly hluché prostory plné úsad.These measures for known pyrometers have not been elaborated to a functionally satisfactory technical level, so that it has allowed for some time to keep the radiation pyrometer in a less aggressive environment inside the process equipment, but did not guarantee long-term reliable operation in truly difficult operating conditions. For example, cooling of radiation pyrometers with a cooling fluid in known embodiments of these meters often did not produce the desired effect if there were spots insufficiently flowing through the cooling fluid in the pyrometer housing design. Similarly, blowing off the windshield of some pyrometers with compressed air failed to prevent deposits of mechanical particles on the windshields, because the knowledge of flow theory was not taken into account, so that deaf spaces full of deposits were created in front of the windshields of these radiation pyrometers.

Úkolem vynálezu je zdokonaleni konstrukce radiačního pyrometrů vhodného pro práci v horkých prostředích a to do té míry, aby radiační pyrometr bylo možno i dlouhodobě instalovat bez újmy na přesnosti jeho měření i v prostředích 8 agresivní chemickou atmosférou obsahující volné mechanické částice, příkladně prachová zrna, popel, okuje a pod.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the design of radiation pyrometers suitable for working in hot environments to the extent that the radiation pyrometer can be installed over a long period of time without compromising its accuracy even in environments 8 by aggressive chemical atmosphere containing loose mechanical particles. , scales, etc.

Vychází se přitom ze známé technické koncepce radiačního pyrometru s pyroelektrickým čidlem, referenčním autostabilisovaným zdrojem infračerveného záření a s mechanickým střídačem měřeného ε referenčního infračerveného záření s otočným reflexním členem, uspořádaným před pyroelektrickým čidlem, kteréžto prvky jsou upraveny na společném nosném bloku.It is based on the known technical concept of a radiation pyrometer with a pyroelectric sensor, a reference autostabilized infrared radiation source and a mechanical inverter of the measured ε reference infrared radiation with a rotating reflective element arranged in front of the pyroelectric sensor, which elements are provided on a common support block.

Tento společný nosný blok je vestaven do dutého tělesa s dvojitými stěnami, ve kterém je vytvořen vstupní kužel pro definování svazku měřených infračervených paprsků, uzavřený no čelní základně tepelně propustnou fólií.This common support block is embedded in a double-walled hollow body in which an inlet cone is formed to define a beam of measured infrared rays, enclosed on the front base by a heat-permeable film.

Podstato radiačního pyrometru podle vynálezu spočívá v tom, že v zadní části dutého tělesa je vytvořena rozvodná komora pro chladící kapalinu opatřená přívodným hrdlem a přecházející ve střední části dutého tělese ve šroubovicový kanál mezi dvojitými stěnami. Tento kanál vyústuje při přední části dutého tělesa do dutiny, která obklopuje vstupní kužel a do níž je zaústěno přívodní hrdlo pro chladící kapalinu.The principle of the radiation pyrometer according to the invention is that in the rear part of the hollow body there is formed a cooling liquid distribution chamber provided with an inlet throat and passing in the middle part of the hollow body into a helical channel between the double walls. This duct opens at the front of the hollow body into a cavity that surrounds the inlet cone and into which the coolant inlet port is connected.

V dutém tělese je před tepelně propustnou fólií vypracována prstencové komora s přívodem tlakového vzduchu a se dvěma systémy trysek, z nichž trysky prvního systému jsou rozloženy kolem celého obvodu tepelně propustné fólie a jsou skloněny šikmo vpřed k ose svazku měřeného infračerveného záření, kdežto trysky druhého systému jsou rozloženy pouze kolem části obvodu tepelně propustné fólie a jsou skloněny nazad proti čelní ploše této fólie.In the hollow body, an annular chamber with a compressed air supply and two nozzle systems is provided in front of the heat-transmissive film, the nozzles of the first system being distributed about the entire periphery of the heat-transmissive film and inclined obliquely forward to the axis of the infrared beam. they extend only around a portion of the periphery of the heat permeable film and are inclined backwardly against the face of the film.

Podle dalšího znaku vynálezu je osa otáčení reflexního členu mechanického střídače uspořádána různoběžně k ose svazku měřených infračervených paprsků a referenční autostabilisovaný zdroj je ve společném nosném bloku uložen v místě, odkud se jeho záření odráží přes reflexní člen mechanického střídače kolmo na_tcitlivou plochu pyroelektrického čidla.According to a further feature of the invention, the axis of rotation of the reflector member of a mechanical inverter disposed of concurrently to the axis of the beam measured by the infrared rays and the reference autostabilisovaný source is in the common support block is stored in a place where its radiation reflected via the reflective member of a mechanical inverter perpendicular to _t sensitive surface of a pyroelectric sensor.

Účinek uvedeného řešení záleží ve vytvoření důkladně chlazené schránky pro uložení pyroelektrického detektoru s jeho elektrickými i mechanickými funkčními díly jakož i pro uložení příslušné ovládací a vyhodnocovací elektroniky uvnitř dutého tělesa, dále v zabránění přístupu volných mechanických částic a agresivní chemické atmosféry k tepelně propustné fálii z plastické hmoty a posléze v nasměrování jak měřeného, tak i referenčního infračerveného záření pod stejným úhlem na citlivou plochu pyroelektrického čidla, s ohledem na účinnost nejlépe kolmo k této ploše. Tím je i splněn důležitý přepoklad pro obdržení stabilní odezvy z pyroelektrického čidla. Při stanoveném geometrickém vztahu mezi reflexním členem a referenčním autostabilizovaným zdrojem infračerveného záření od vnitřní stěny dutého tělese ležící před reflexním členem, nebot tato stěna nemůže být rovnoběžná s odraznou plochou reflexního členu.The effect of this solution is to create a well-cooled housing for storing the pyroelectric detector with its electrical and mechanical functional parts as well as to store the relevant control and evaluation electronics inside the hollow body, to prevent free mechanical particles and aggressive chemical atmosphere from thermally permeable plastic mass and then directing both the measured and the reference infrared radiation at the same angle to the sensitive area of the pyroelectric sensor, with respect to efficiency preferably perpendicular to this area. This also fulfills the important prerequisite for obtaining a stable response from the pyroelectric sensor. Given the geometric relationship between the reflective member and the reference autostabilized infrared radiation source from the inner wall of the hollow body lying in front of the reflective member, this wall cannot be parallel to the reflective surface of the reflective member.

Všechny uvedené účinky jenotlivých znaků radiačního oyrometru podle vynálezu spolu působí při provozním využívání tohoto zařízení.All of the above-mentioned effects of the individual features of the radiation oyrometer according to the invention work together in the operational use of the device.

Na výkrese je radiační pyrometr podle vynálezu znázorněný schematicky v podélném řezu vedeném osou svazku měřených infračervených paprsků.In the drawing, a radiation pyrometer according to the invention is shown schematically in a longitudinal section along the axis of the beam of measured infrared rays.

Vlastni měřící systém radiačního pyrometru podle vynálezu sestává z pyroelektrického čidla 12, mechanického střídeče s reflexním členem 11. jehož osa 10 otáčení je různoběžná k ose 2 svazku měřených infračervených paprsků a z referenčního autostabilisované>ho zdroje 12» kteréžto díly jsou uloženy na společném nosném bloku 8. Úkolem mechanického střídeče je přivádět na citlivou plochu pyroelektrického čidla 13 střídavě měřené a referenční infračervené paprsky. Pro správnou funkci zařízení je důležité, aby oba svazky infračervených paprsků byly od sebe časově naprosto rozlišeny a vzájemně se při působení no pyroelektrické čidlo 13 neovlivňovaly. Jsou proto nežádoucí jakékoliv parasitní odrazy infračervených paprsků od vnitřních stěn schránky 24 v dutém tělese J. na citlivou plochu pyroelektrického čidla 22·The radiation pyrometer measuring system according to the invention consists of a pyroelectric sensor 12, a mechanical inverter with a reflective member 11, whose axis of rotation 10 is parallel to the axis 2 of the beam of measured infrared rays and a reference autostabilized source 12 which are mounted on a common carrier block 8. The purpose of the mechanical inverter is to supply alternately measured and reference infrared rays to the sensitive area of the pyroelectric sensor 13. For the correct functioning of the device it is important that the two beams of the infrared rays are completely differentiated from each other in time and do not interfere with each other under the action of the pyroelectric sensor 13. Therefore, any parasitic reflection of the infrared rays from the inner walls of the receptacle 24 in the hollow body J to the sensitive area of the pyroelectric sensor 22 is undesirable.

U předmětného řešení se těmto nežádoucím odrazům zamezuje právě různoběžností osy 10 otáčení reflexního členu 11. jehož reflexní plocha je šikmo protínána osou 2 svazku měřených infračervených paprsků. Má-li být splněn požadavek, aby jak měřené infračervené paprsky tak i infračervené paprsky z referenčního autostabilisovaného zdroje 12 po odraze na reflexním členu 11 dopadaly kolmo na citlivou plochu pyroelektrického čidla 13. pBk referenční autostebilisovaný zdroj 12 musí být vůči pyroelektrickému čidlu 13 uložen na společném nosném bloku 8 v takovém místě, že kromě regulérního odrazu přes reflexní člen 11 nemůže dojít k žádným parasitním odrazům od vnitřníhh stěn schránky 24 na citlivou plochu pyroelektrického čidla 13. Názorně je chod paprsků znázorněn na připojeném výkresu v souladu s uvedeným výkladem.In the present solution, these undesirable reflections are prevented by the parallelism of the axis of rotation 10 of the reflective member 11, the reflective surface of which is obliquely intersected by the axis 2 of the beam of measured infrared rays. To meet the requirement that both the measured infrared rays and the infrared rays from the reference autostabilized source 12 upon reflection on the reflective member 11 fall perpendicularly to the sensitive area of the pyroelectric sensor 13. pBk the reference autostebilised source 12 must be placed on a common In addition to the regular reflection through the reflective member 11, no parasitic reflection can occur from the inner walls of the receptacle 24 to the sensitive area of the pyroelectric sensor 13. Illustratively, the beam path is shown in the accompanying drawing in accordance with the foregoing explanation.

Jak už bylo zmíněno, je uvnitř dutého tělesa 2 s dvojitými stěnami protékanými chladící kapalinou vytvořena schránka 24 obsahující v přední části pyroelektrický detektor a v zadní části ovládací a vyhodnocovací elektroniku 20. Pracovní teplota ve zmíněné schránce 24 závisí jednak na teplotní odolnosti komponentů ovládací a vyhodnocovací elektroniky 20, jednak na fyzikálních vlastnostech použitých fereelektrických materiálů. Například při vytvoření referenčního autostabilisovaného zdroje 12 infračerveného záření z triglycinsulfátu, který má teplotu fázového přechodu druhého druhu 49,25 °C, nesmí teplota uvnitř schránky 24 v žádném přípedě dosáhnout této úrovně, aby autostsbilisovaný zdroj 12 mohl pracovat. K tomu účelu je ve společném nosném bloku 8 zapuštěn odporový teploměr 2, který je z důvodu reprodukovetelnosti provozních výsledků e trvanlivosti nejlépe platinový.As already mentioned, inside the hollow body 2 with double walls flowing through the coolant there is a housing 24 comprising a pyroelectric detector in the front part and a control and evaluation electronics 20 at the rear. The working temperature in said housing 24 depends on the temperature resistance of the control and evaluation components. electronics, and on the physical properties of the used fereelectric materials. For example, when a reference autostabilized infrared light source 12 of triglycine sulfate is formed having a second-phase phase transition temperature of 49.25 ° C, the temperature inside the enclosure 24 must under no circumstances reach this level to allow the autostsbilized source 12 to operate. For this purpose, a resistance thermometer 2 is embedded in the common support block 8, which is preferably platinum for reasons of reproducibility of the operating results and durability.

Tento odporový teploměr 2 poskytuje měřící signál pro elektroniku 20, které reguluje vstup chladící kapaliny do dutého tělesa i· Aby se chladící kapaliny racionálně využilo, je duté těleso 2 uvnitř upraveno následovně;This resistance thermometer 2 provides a measurement signal for the electronics 20 which regulates the coolant inlet into the hollow body 1. In order to rationally utilize the coolant, the hollow body 2 is provided inside as follows;

Přívodní hrdlo 15 chladící kapaliny ústí do rozvodné komory 14 na jeho zadní části, která chrání před oteplením ovládací a vyhodnocovací elektroniku 20. Z rozvodné komory 14 vstupuje chladící kapalina vstupním otvorem 25 čo Sroubovicového kanálu 16. který v několika závitech obklopuje schránku 24 s ovládací a vyhodnocovací elektronikou 20 jakož i se společným blokem 8 s pyroelektrickým detektorem.The coolant inlet 15 opens into the distribution chamber 14 at the rear thereof, which protects the control and evaluation electronics 20 from warming. From the distribution chamber 14, the coolant enters through the inlet 25 of the helical channel 16 which surrounds the control box 24 in several turns. the evaluation electronics 20 as well as the common block 8 with the pyroelectric detector.

Chladící kapalina ve Sroubovicovém kanálu 16 postupuje dutým tělesem 1 odzadu dopře· du a přitom se postupně ohřívá. Proto zadní část dutého tělesa 1 je chlazena vydatněji než jeho přední část, což je v souladu s technickými požadavky na provoz jednotlivých elektronických bloků radiačního pyrometru.The coolant in the helical duct 16 advances through the hollow body 1 from the rear to the front while gradually heating. Therefore, the rear part of the hollow body 1 is cooled more heavily than its front part, which is in accordance with the technical requirements for the operation of individual electronic blocks of the radiation pyrometer.

Při přední části dutého tělesa 1 Sroubovicový kanál 16 ústí do dutiny 12. Tato dutina 12 obklopuje vstupní kužel 18 a chladící kapalina se z ní vyvádí výstupním hrdlem 19 do odpadu nebo do cirkulačního okruhu.At the front of the hollow body 1, the helical channel 16 opens into the cavity 12. This cavity 12 surrounds the inlet cone 18 and the coolant is discharged therefrom through the outlet orifice 19 into a drain or into a circulation circuit.

Vstupní kužel 18 je vpředu obvodově utěsněn proti úniku chladicí kapaliny prstencovým těsněním 21 a proti vniknutí okolní atmosféry |do schránky 24 tepelně propustnou fólií 2. Vnitřní plocha vstupního kužele 18 může být výhodně vyleštěna anebo leskle pokovena kvůli omezení ztrát měřeného svazku infračervených paprsků tímto kuželem 18 soustřeňovaných na pyroelektrické čidlo 13.The inlet cone 18 is circumferentially sealed in front of the coolant leak through the annular seal 21 and the ingress of the ambient atmosphere into the container 24 with a heat-transmissive foil 2. The inner surface of the inlet cone 18 can advantageously be polished or brightly plated to reduce the loss of the infrared beam focused on pyroelectric sensor 13.

Vzhledám k tomu, že radiační pyrometr podle vynálezu má být dlouhodobě a bez přístupu servisního personálu uzavřen uvnitř zařízení s horkou agresivní atmosférou obsahující volné mechanické částice jako prachová zrna, popel, okuje a ood.^ musí být jemné tepelně prostupná fólie 2 důkladně chráněna proti možnému poškození.Since the radiation pyrometer according to the invention is to be enclosed in a hot aggressive atmosphere containing free mechanical particles such as dust, ash, scales and ood for a long time and without service personnel access, the fine heat-transmissive foil 2 must be thoroughly protected against possible corrosion. damage.

Za tím účelem jsou před touto fólií 2 usoořádány dva systémy vzduchových trysek í a 6 vypracovaných ve válcové vnitřní stěně prstencové komory 2 s ořívodem tlakového vzduchu. Trysky £ prvního systému jsou rozloženy kolem celého obvodu tepelně propustné fólie 2 a jsou skloněny šikmo vpřed směrem k ose 2 svazku měřených infračervených paprsků. Stlačený vzduch z těchto trysek £ vystupuje ve směru šipek 22 a vytváří vzduchovou ochrannou clonu kuželového tvaru. Pro případ, že by některé mechanické nečistoty touto clonou pronikly až k ploše tepelně propustné fólie 2, je zřízen kolem části obvodu tepel ně propustné fólie 2 ůruhý systém trysek 6, které jsou skloněny šikmo nazad proti čelné ploše tepelně propustné fólie 2. Stlačený vzduch z trysek 6 vystupuje směrem šipek 22, unáší sebou z plochy fólie 2 usazené nečistoty a vrhá je do proudu vzduchu z trysek 2 prvního systému, který je odnese pryč. Tak se tepelně propustná fólie 2 trvale samočinně kstí a chladí během provozu. Je samozřejmé, že systémy trysek 5. i 6 mohou být realizovány jako obvodové štěrbiny volitelné délky.For this purpose, two air nozzle systems 1 and 6 provided in the cylindrical inner wall of the annular chamber 2 with compressed air supply are arranged in front of the foil 2. The nozzles 4 of the first system are distributed around the entire periphery of the heat-transmissive film 2 and are inclined forward obliquely towards the axis 2 of the beam of measured infrared rays. The compressed air exits these nozzles 6 in the direction of the arrows 22 and forms a conical air curtain. In the event that some mechanical impurities penetrate through the orifice to the surface of the heat-transmissive film 2, a second nozzle system 6 is provided around a portion of the periphery of the heat-transmissive film 2, which is inclined backwardly against the face of the heat-transmissive film 2. of the nozzles 6 protrudes in the direction of the arrows 22, entrains deposited dirt from the surface of the foil 2 and throws them into the air stream from the nozzles 2 of the first system, which carries them away. Thus, the heat-permeable foil 2 is permanently self-dripping and cooled during operation. It goes without saying that the nozzle systems 5 and 6 can be implemented as circumferential slots of optional length.

Radiační pyrometr podle vynálezu je vhodný např. pro instalování uvnitř regenerativních ohříváků vzduchu, kde se vyžaduje dlouhodobé bezdotykové měřeni teploty vnitřního zařízení a to i v místech, která není možno zaměřit zvenku přes křemíkové okno vestavěné do stěny ohříváku. Další využití radiační pyrometr podle vynálezu nalezne v elektrárnách, teplárnách, kotelnách, hutmính provozech, v chemické výrobě, v materiálových zkušebnách epod.The radiation pyrometer according to the invention is suitable, for example, for installation inside regenerative air heaters where long-term, non-contact temperature measurement of the indoor equipment is required, even in places that cannot be measured from outside through a silicon window built into the heater wall. Another application of the radiation pyrometer according to the invention can be found in power plants, heating plants, boiler rooms, hutminh plants, chemical production, epode material testing.

Claims

Radiation pyrometer especially for work in hot environments with aggressive chemical atmosphere containing free mechanical particles, equipped with pyroelectric sensor, reference autostabilized infrared radiation source and mechanical inverter of measured and reference infrared radiation with rotating reflective element · which are arranged on a common support block built into a hollow, double-walled body in which an inlet cone is formed oro defining a beam of measured infrared beams sealed to the base of the heat-transmissive foil, characterized in that on the one hand a distribution chamber (14) is provided for cooling a fluid provided with a lance (15) and extending in the central part of the hollow body (1) into a helical channel (16) between the double walls and this channel (16) opens at the front of the hollow body (1) into a cavity (17) that surrounds the inlet cone (18) with a mouthpiece (19) for cooling liquid therein, and an annular chamber (3) with an inlet (3) is provided in the hollow body (1) in front of the thermally permeable film (2) 4) of compressed air and with two nozzle systems (5, 6), of which the nozzles (5) of the first system are distributed around the entire periphery of the heat-transmissive film (2) and inclined obliquely forward towards the axis (7) of the infrared beam being measured; the nozzles (6) of the second system extend only around a portion of the periphery of the heat-transmissive film (2) and are tilted backwards against the face of the film (2), on the one hand the rotation axis (10) of the reflective member (11) of the mechanical inverter 7) of the measured infrared ray beam and the reference autostabilized infrared radiation source (12) is stored in a common carrier block (8) at a point where its radiation is reflected es reflective element / 11 / perpendicular to the sensitive surface of a pyroelectric sensor / 13 /.