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Die Erfindung betrifft ein Pyrometer und ein Verfahren zur Temperaturmessung unter Verwendung des Pyrometers.
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Die berührungslose Temperaturmessung (Pyrometrie), wie bspw. die Infrarottemperaturmessung (Pyrometrie), basiert auf einem optischen Messverfahren und der physikalischen Eigenschaft aller Körper, elektromagnetische Strahlung (Wärme- bzw. Infrarotstrahlung) auszusenden und diese zur Temperaturmessung zu Nutzen. Über eine Optik erfasst das Pyrometer einen Messfleck, d. h. die von einer Fläche eines Messobjektes emittierte Strahlung und ermittelt daraus die Temperatur. Dazu weist das Pyrometer im Wesentlichen ein Linsensystem als Optik, einen strahlungsempfindlichen Detektor als Strahlungsempfänger und eine Auswerteelektronik auf.
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Nachteilig an den im bisherigen Stand der Technik bekannten Pyrometern ist, dass jeweils nur die Temperatur einzelner Messflecke gemessen werden kann. Um mehrere Messflecke vermessen zu können, sind mehrere Pyrometer oder mehrere Messdurchgänge, verbunden mit Umsetzen und Neubzw. Umkalibrierung des Pyrometers notwendig. In beiden Fällen ist die Temperaturmessung teuer und umständlich bei der Handhabung.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das unterschiedliche Messflecke einfach und schnell erfassen kann und dabei kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Pyrometer mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Temperaturmessung mittels eines Pyrometers so zu verbessern, dass eine schnelle und einfache Messung mehrerer unterschiedlich platzierter Messflecke ermöglicht wird, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Pyrometers und des Verfahrens werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Pyrometers weist eine Auswerteeinheit und eine Vielzahl optischer Aufnahmeelemente auf, die mittels optischer Verbindungen mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Dabei weist die Auswerteeinheit eine Datenverarbeitungseinheit und ein Detektorarray auf, das mit den optischen Aufnahmeelementen operativ verbunden ist.
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Im Sinne der Erfindung heißt „operativ“ unter Bezug auf „Operation“, nämlich Vorgang oder Arbeitsvorgang (Duden, 9. Auflage, Bd. 5, Dudenverlag 2006, S. 731) zur Ausführung eines Vorgangs oder Arbeitsvorgangs, so dass die optischen Aufnahmeelemente mit dem Detektorarray so verbunden sind, dass ein erfasstes optisches Signal an das Detektorarray weitergeleitet wird.
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Vorteilhaft können mehrere Messflecke mittels eines einzigen Pyrometers vermessen werden, da mehrere Optiken zur Verfügung stehen, die dann zu einer einzigen Auswerteeinheit aus Detektor und Messelektronik geführt werden. In bisher verwendeten Pyrometern war für jeden Messfleck oder Messpunkt neben einer einzelnen Optik eine separate Auswerteeinheit aus Detektor und Elektronik notwendig. Dies kann durch das erfindungsgemäße Pyrometer entfallen.
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„Messflecke“ im Sinne der Erfindung können unterschiedliche Punkte auf Messobjekten sein, die in einem Temperaturbereich von in etwa von –50°C bis 2500°C, insbesondere 400°C bis 2500°C liegen. Allgemein können Pyrometer zur Messung von Temperaturen zwischen –50 und 4000°C eingesetzt werden, wobei die Wahl des Temperaturbereichs von der benötigten Anwendung abhängt. Dafür kann ein optischer Messbereich des Pyrometers eher im sichtbaren Strahlungsbereich liegen. Bevorzugt erstreckt sich der Messbereich in bzw. über den infraroten Strahlungsbereich.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Detektorarray mehrere Detektorelemente aufweist, die zueinander abgegrenzt ausgebildet sein können. Dabei kann jedes Detektorelement einzeln angesteuert werden. Ferner kann jedem Detektorelement jeweils eines der optischen Aufnahmeelemente zugeordnet sein, so dass stets einem Detektorelement ein optisches Signal eines zugeordneten Messflecks zugeführt werden kann. Es können Detektorarrays verwendet werden, wie sie auch bei Wärmebildkameras eingesetzt werden. Bevorzugt können dabei einfache zweidimensionale Arrays Verwendung finden, wobei auch eine Implementierung von dreidimensionalen Arrays möglich ist. Hierbei können photoelektrische Detektoren als Photozellen, Photowiderstand in Form eines Photoleiters, Photodioden, oder Phototransistoren ausgebildet sein. Sie sind für die Messung eines schmalen Wellenbandes geeignet. Daneben unterscheiden sich die Pyrometer auf Grund der unterschiedlichen Detektoren in ihrer Empfindlichkeit. Die einfallende Strahlung kann dabei bspw. über eine lichtempfindliche Diode in Strom umgewandelt werden und somit ein optisches Signal in ein elektrisches Signal wandeln.
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Alternativ kann die Erfindung vorsehen, dass das Detektorarray eine durchgängige Detektorfläche ist, wobei jedes Detektorelement einen definierten Bereich der Detektorfläche bildet. Dadurch kann der Detektor in die Anzahl an Elementen geteilt werden, die für die anzuschließenden Optiken gebraucht wird. Das Pyrometer kann hierdurch einfach um weitere Optiken erweitert werden und die Anzahl der möglichen messbaren Messflecken der jeweiligen Messsituation angepasst werden.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass die optischen Verbindungen Lichtwellenleiter sind. Derartige Lichtwellenleiter oder auch Lichtleitkabel können aus Lichtleitern bestehen und teilweise mit Steckverbindern konfektionierte Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht (Strahlung) sein. Das Licht wird dabei in Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff, wie bspw. polymere Fasern geführt. Sie werden häufig auch als Glasfaserkabel bezeichnet. Geeignete Optiken als optische Aufnahmeelemente können einfache Linsensysteme zur Aufnahme der von den Messflecken emittierten Strahlung sein, die in entsprechendem Abstand zum Messfleck angeordnet werden können. Durch die Lichtleiter können die optischen Aufnahmeelemente an unterschiedlichen Stellen angeordnet werden, wobei die Auswerteeinheit an einem zentralen Ort vorgesehen sein kann.
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Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit in einem Gehäuse angeordnet, wodurch das Pyrometer auch handlich und einfach in bestehende Prozessstrukturen integriert werden kann.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass das Gehäuse eine Anzeigeeinrichtung für Messdaten und Bedienelemente zum Bedienen des Pyrometers aufweist. Dadurch können direkt am Pyrometer die gemessenen Daten abgefragt und überprüft werden. Alternativ kann das Gehäuse eine Vorrichtung zur Herstellung einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Pyrometer oder der Steuerungseinheit einer Prozessleitung aufweisen. Dadurch kann das Pyrometer effektiv in einen bestehenden Prozessablauf integriert werden.
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Vorteilhaft können durch die Erfindung mehrere, unabhängig von einander anzuordnende optische Aufnahmeelemente als Optiken verwendet werden, die dann auf eine einzige Auswerteeinheit mit Detektor und Elektronik zusammenlaufen. Von jeder Optik führt ein Lichtwellenleiter auf ein Array, deren Array-Elemente separat und einzeln angesteuert werden. Die Auswerteeinheit wird damit nur einmal benötigt, weshalb das Pyrometer kostengünstig hergestellt werden kann.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturmessung unter Verwendung eines Pyrometers der vorgenannten Art werden in einem ersten Schritt die optischen Aufnahmeelemente in vorbestimmtem Abstand vor einer Vielzahl vorbestimmter Messflecke mit einer jeweils zu messenden Temperatur angeordnet. Ferner wird in einem weiteren Schritt Wärmestrahlung, die von zumindest einem Messfleck emittiert wird, durch ein optisches Aufnahmeelement erfasst. Dabei werden ein oder mehrere optische(s) Signal(e) aufgenommen, die in einem Folgeschritt an die Auswerteeinheit über die optische Verbindung, die dem optischen Aufnahmeelement zugeordnet ist, geleitet.
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Hiernach wird das optische Signal an ein Detektorelement des Detektorarrays zugeführt und das optische Signal mittels des Detektorelements detektiert. Das optische Signal wird mittels des Detektorelements in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses an die Datenverarbeitungseinheit zugeführt. Schließlich werden aus dem elektrischen Signal mittels der Datenverarbeitungseinheit ein oder mehrere charakteristische Strahlungsparameter berechnet, wobei dem charakteristischen Strahlungsparameter ein Temperaturwert zugeordnet wird.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich ein einfaches Verfahren zur Temperaturmessung von unterschiedlichen Messflecken, die bevorzugt parallel oder auch seriell abgetastet und deren zugehörige Temperaturen bestimmt werden können.
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Damit den gemessenen Werten eine korrekte Temperatur zugeordnet werden kann, sieht die Erfindung vor, dass für die Berechnung der charakteristischen Strahlungsparameter für jeden Messfleck ein charakteristischer Emissionsgrad eingestellt wird. Dieser ist materialabhängig und kann in der Auswerteeinheit auf einer geeigneten Speichereinheit gespeichert und der Datenverarbeitungseinheit zur Verfügung gestellt werden. Während die unterschiedlichen Messflecke nacheinander abgetastet werden, kann zu jedem Messfleck nacheinander der zugehörige Emissionsgrad automatisch eingestellt werden. Die Messung der Messflecke kann dadurch schnell und einfach erfolgen. Durch Zuordnung der Messflecken zu einem spezifischen Sensorarray kann auch bei paralleler Abtastung eine eindeutige Zuordnung erreicht werden.
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Alternativ kann die Erfindung vorsehen, dass, bevor die optischen Aufnahmeelemente vor den Messflecken angeordnet werden, eine Beschichtung mit konstantem Emissionsgrad auf einen oder mehrere Messfleck(e) aufgetragen wird. Durch diese Beschichtung kann die spezifische, separate Einstellung des Emissionsgrades für jede Messstelle vermieden werden, da der Emissionsgrad konstant bleibt. Ein geeigneter Lack weist eine geringe Wellenlängendispersion auf, so dass der Emissionsgrad weitgehend wellenlängenunabhängig ist. Bevorzugt kann der Lack auf einem Seltenerdoxid oder Übergangsmetalloxid basieren; es sind jedoch auch andere Beschichtungen, die die Eigenschaft eines wellenlängenunabhängigen Emissionsgrades aufweisen, möglich. Eine solche Beschichtung erzeugt eine konstante Oberfläche und somit einen konstanten Emissionsgrad. Wenn eine vorgenannte Beschichtung genutzt wird, ist der Emissionsgrad für die Messflecke bekannt, wodurch für die Berechnung der charakteristischen Strahlungsparameter für alle Messflecke ein konstanter Emissionsgrad eingestellt werden kann. Hierdurch wird der messtechnische Aufwand deutlich verringert.
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Um die Messwerte verwerten zu können, sieht die Erfindung ferner vor, dass nachdem einem Temperaturwert der charakteristische Strahlungsparameter, bevorzugt eine gemessenen Strahlungsintensität, zugeordnet wurde, der Temperaturwert von der Datenverarbeitung ausgegeben werden kann. Hiernach kann der Wert zur weiteren Datenverarbeitung, Speicherung, etc. an eine Prozessleitung weitergereicht werden.
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Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Es zeigt:
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1 ein schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Pyrometers, und
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2 eine schematische Ansicht eines Detektorarrays des erfindungsgemäßen Pyrometers.
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In 1 hat das gezeigte erfindungsgemäße Pyrometer für die Infrarot-Thermometrie eine einzelne abgesetzte Auswerteeinheit 1 als Mess- und Auswerte-Elektronik. Innerhalb eines Gehäuses 2 sind neben einer Datenverarbeitungseinheit ein Detektorarray 4 und auch eine Vorrichtung 5 zur Herstellung einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Pyrometer und einer Steuerungseinheit einer Prozessleitung (figurativ nicht dargestellt) angeordnet. Die Datenverarbeitungseinheit 3 kann ferner mit einer nicht näher dargestellten Regel- und Steuerungselektronik, einer Speichereinheit und einer Stromversorgung, wie einer Batterie verbunden sein. Die vorgenannten Komponenten sind mittels elektrischer Verbindungen 6 wie Bussystemen oder einfachen Kabelverbindungen untereinander verbunden.
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Das Detektorarray 4 ist mit einer Vielzahl an Lichtwellenleitern 8 als optische Verbindungen verbunden, die aus dem Gehäuse 2 herausführen und die eine gleiche Anzahl an optischen Aufnahmeeinheiten 9 mit dem Detektorarray 4 verbinden. In 1 sind sechs optische Aufnahmeeinheiten 9 und damit auch sechs Wellenleiter 8 dargestellt, die alle mit dem Detektorarray 4 verbunden sind. Der Messfleck wird dabei auf die Optik fokussiert.
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Nach 2 weist das im Gehäuse 2 angeordnete Detektorarray 4 eine Vielzahl einzelner Detektorelementen 7 auf, wobei jedes Detektorelement 7 über einen Lichtwellenleiter 8 mit jeweils einer optischen Aufnahmeeinheit 9 verbunden ist. Die Detektorelemente 7 sind bspw. elektronische Bildsensoren, die eine für die jeweilige Anzahl an optischen Aufnahmeelementen geeignete Auflösung besitzen. Die sechs Lichtleiter 8 und optischen Aufnahmeeinheiten 9 sind einzeln mit den sechs Detektorelementen 7 des Detektorarrays 4 operativ verbunden, so dass ein optisches Signal, das von einer ersten optischen Aufnahmeeinheit erfasst wird, auf das jeweils zugeordnete Detektorelement 7 geführt wird, wo das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
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Jede optische Aufnahmeeinheiten
9 ist, wie
1 ferner zeigt, auf Messflecke
10 vorbestimmter Größe gerichtet. Die Messflecke
10 haben in der Regel einen Durchmesser von in etwa einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern Größe. Ihre genaue Größe ist dabei unter anderem abhängig von der Brennweite der verwendeten optischen Aufnahmeelemente
9, d. h. bezogen auf die Optik der optischen Aufnahmeelemente
9 kann die Größe des Messflecks
10 und ferner ein bestimmter Messfleck-Optik-Abstand bzw. Messkegel
11 eingestellt werden. Bezugszeichenliste
| 1 | Auswerteeinheit |
| 2 | Gehäuse |
| 3 | Datenverarbeitungseinheit |
| 4 | Detektorarray |
| 5 | Verbindungsvorrichtung |
| 6 | Elektrische Verbindung |
| 7 | Detektorelement |
| 8 | Lichtwellenleiter |
| 9 | Optische Aufnahmeeinheit |
| 10 | Messfleck |
| 11 | Messkegel |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Duden, 9. Auflage, Bd. 5, Dudenverlag 2006, S. 731 [0009]
