DE1498487A1 - Radiation pyrometer - Google Patents
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Description
Strahlungspyrometer Die Erfindung betrifft die Messung hoher Temperaturen und ist besonders für die Messung der Wandtemperatur eines Lichtbogenofens geeignet, wenn sie auch nicht auf diese Anwendungsmöglichkeit beschränkt ist.Radiation Pyrometer The invention relates to the measurement of high temperatures and is particularly suitable for measuring the wall temperature of an electric arc furnace, even if it is not limited to this application.
Um die Temperatur der inneren Oberfläche einer Ofenwand zu messen, ist es zweckmäßig, ein Strahlungspyrometer zu verwenden.To measure the temperature of the inner surface of a furnace wall, it is advisable to use a radiation pyrometer.
Ein solches Strahlungspyrometer mißt jedoch die Summe aus der ursprünglich von der Wand abgestrahlten Strahlung und solcher Strahlung, die irgendwo erzeugt und von der Wand reflektiert ist. Wenn man nun In einem Lichtbogenofen, in dem der Lichtbogen selbst Energie im UV-Bereich und im sichtbaren Bereich zusammen mit einer verhältnismäßig kleinen Energiemenge im Ultra-Roten-abstrahlt (die in der Hauptsache aus den Spitzen der Bogenelektroden stammt) die Energie mit einem Pyrometer messen will, die von der Wand des Lichtbogenofens abgestrahlt wird, wird nicht nur die Energie im Ultraroten und im Sichtbaren gemessen, die in der Ofenwand entsteht, sondern auch gleichzeitig Energie im Ultraroten, Sichtbaren und Ultravidetten, die im Lichtbogen erzeugt und von der Ofenwand reflektiert wird. Die Energie, die vom Lichtbogen emittiert wird, wird an den Ofenwandungen vielfach reflektiert, so daß eg nicht möglich ist, bei der Messung diese Energieanteils einfaoh dadurch auszuschalten, daß man die optisohe Aohse des Pyrometers passend ausrichtet.However, such a radiation pyrometer measures the sum of the original Radiation emitted by the wall and such radiation generated somewhere and is reflected off the wall. If you are now in an electric arc furnace in which the Arc itself energy in the UV range and in the visible range along with a relatively small amount of energy in the ultra-red emits (which in the main from the tips of the arc electrodes) measure the energy with a pyrometer that is radiated from the wall of the arc furnace is not just that Energy measured in the ultra-red and in the visible, which arises in the furnace wall, but also at the same time energy in the ultra-red, the visible and the ultravidet, the generated in the arc and reflected from the furnace wall. The energy that the Arc is emitted, is reflected on the furnace walls multiple times, so that eg it is not possible to simply switch off this energy component during the measurement, that one aligns the optical axis of the pyrometer appropriately.
Man hat nun gefunden, daß von den Energieanteilen, die vom Byremeter gemeasen werden, nur die Energieanteile im Infraroten ein wirkliches Maß für die WAndtemperatur sind. folie Energieanteile im Infraroten, die refltient werden, sind zu ering, um eine Messung dor Temperatur über die Messung Qe Infrerot-Emission von der Ofenwand ernstlich zu verfälschen.It has now been found that of the energy components generated by the bymeter are measured, only the energy components in the infrared are a real measure for the Wall temperature are. Foil energy components in the infrared that are refltient are To get a measurement of the temperature by measuring Qe infrared emission of seriously falsify the furnace wall.
Ein Strahlungsspyrometer, das sich zur Messung der Temperatur einer heißen Oberfläche eignet, weist nach der Erfindung eine elektrische Zelle auf, die nur auf einfallende Infrarot-Strahlung anspricht. Die von der Zelle abgegebene Ausgangsgröße ist ein Maß für die Größe der einfallenden Infrarot-Strahlung . In den Strahlengang der Infrarot-Strahlung ist zwischen der elekzwischen Zelle und der heißen Oberfläche ein Licht-Chopper eingesetzt. Weiterhin sind zyklisch-variable Filter vorgesehen, die abwechselnd zwei unterschiedliche Frequenzbänder der Infrarot-Strahlung hindurchlassen, von denen jedes ganz oder teilweise in den Empfindlichkeitsbereich der elektrischen Zelle fällt. Der Zelle ist noch ein elektrischer ochaltkreis nachgeschaltet, der auf die Ausgangsgröße der Zelle anspricht und so ausgelegt ist, daß er in Abh ngigkeit von der Größe und der spektralen Zusammensetzung der emittierten Infrant-Strahlung und damit in Abh ngigkeit von der Temperatur des Wandteiles, auf den das Pyrometer gerichtet ist, eine Anzeige und/oder eine Registrierung und/oder eine Steuerung durchführt.A radiation pyrometer that is used to measure the temperature of a suitable hot surface, according to the invention has an electrical cell that only responds to incident infrared radiation. The output quantity given by the cell is a measure of the size of the incident infrared radiation. In the beam path The infrared radiation is between the electrical cell and the hot surface a light chopper used. Cyclically variable filters are also provided, which alternately allow two different frequency bands of infrared radiation to pass through, each of which is wholly or partially within the sensitivity range of electrical Cell falls. The cell is followed by an electrical circuit, the responds to the output size of the cell and is designed so that it is dependent on on the size and the spectral composition of the emitted infrared radiation and thus as a function of the temperature of the wall part on which the pyrometer is pointing is directed, a display and / or a registration and / or a control performs.
Der Licht-Chopper kann aus einer oder mehreren koaxial angeordneten und drehbaren Filterscheiben aufgebaut sein, die eine Unzahl vcn Filterblenden aufweisen, die so ausgewahlt sind, daß sie jeweils abwechselnd Strahlung zweier verschiedener Spektralbereiche hindurchlassen.The light chopper can be composed of one or more coaxially arranged and rotatable filter disks, which have a myriad of filter apertures, which are selected in such a way that they alternate radiation from two different Let spectral ranges pass.
Um diese Wirkung zu erzielen, können allle Filterblenden aus dem gleichen Material aufgebaut sein, jedoch von Sektoren getrennt sein, durch die die Strahlung ungefiltert hindurchgeht. Man kann aber auch die eine Hälfte der Filterblenden aus einem und die andere Hälfte der Filterblenden aus einem anderen Material herstellen, sofern man dafür sorgt, daß diese bei Materialien unterschiedliche Infraret-Transmissionseigen@chaften haben. Ir Licht-Choppern, deren Filterblenden aus untarschiedlichen M@-terialien hergestellt sind, müssen die @@ @@@@@er@@@@@@@en de@ so ar geordnet sein, daß bei der Drehung der Ob@@pe@ S@@@@@@@@ der Intrarot-Strahlengang immer abwechselnd von einer @@@terb@en@@ aus dem einen und dem anderen Material unterbroehen bzw. durch@@t wird.To achieve this effect, all of the filter apertures can be made of the same Material be built up, but separated by sectors through which the radiation passes unfiltered. But you can also remove one half of the filter apertures make one and the other half of the filter screens from a different material, as long as one ensures that these materials have different infrared transmission properties to have. Ir light choppers with filter screens made of different M @ -terials are made, the @@ @@@@@ er @@@@@@@ en de @ must be arranged in such a way that at the rotation of the Ob @@ pe @ S @@@@@@@@ the infrared ray path always alternates from one @@@ terb @ en @@ from one and the other material interrupted or by @@ t will.
Beispiele für Materialien, aus denen sich solche Filter hertellern lassen, sind Quarzgut, saphir, Infrarot-Glas, Lithiumchlorid und Magnesiumoxid. Man kann die Filter aber auch als Interferensfilter aufbauen.Examples of materials from which such filters are made Let are fused quartz, sapphire, infrared glass, lithium chloride and magnesium oxide. The filters can also be set up as interference filters.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.In the following, the invention will be based on an exemplary embodiment will be described in detail in conjunction with the drawings.
Figur 1 ist eine schematische ansicht eines s Strahlungspyrometers.Figure 1 is a schematic view of a radiation pyrometer.
Figur 2 ist eine Seitenansicht einer Licht-Chopper-Scheibe aus Figur 1 in vergrößertem Maßstab.FIG. 2 is a side view of a light chopper disk from FIG 1 on an enlarged scale.
Figur 3 ist eine endansicht der Chopper-Scheibe.Figure 3 is an end view of the chopper disk.
Figur 4 ist eine nerspektivi. sche ansicht dgr Anordnung aus Fig. 1.Figure 4 is a perspective. Schematic view of the arrangement from Fig. 1.
Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, erhalt das Pyrometer seine Strahlung von einer Ofenwandung 3, deren Temperatur gemessen werden soll, nachdem diese Stuhlung durch eine Öffnung 1 in einer anderen Ofenwandung 2 hindurchgegangen ist.As shown in Figures 1 and 2, the pyrometer gets its Radiation from a furnace wall 3, the temperature of which is to be measured after this frame passed through an opening 1 in another furnace wall 2 is.
In einer Linie mit der Öffnung 1 und der Ofenwandunr 3 ist eine photoelektrische Zelle 4 ange rdnet, die nur auf Infrarot-Strahlung anspricht. Zwischen die Öffnung 1 und die Zelle 4 ist eine Licht-Chopper-Scheibe 5 gesetzt, die auf einer Welle 6 drehbar montiert ist. Die Zelle 6 wird durcii einen Elektromotor 7 angetrieben. Die Zelle 4 ist in ein lichtungdurchlässiges Gehause eingesetzt, so daß sie keine störenden Strahlungen empfangen kann.In line with the opening 1 and the furnace wall 3 is a photoelectric Cell 4 is rdnet, which only responds to infrared radiation. Between the opening 1 and the cell 4 is a light chopper disk 5 set on a shaft 6 is rotatably mounted. The cell 6 is driven by an electric motor 7. The cell 4 is inserted into a light-permeable housing so that they do not can receive interfering radiation.
Die Chopper-Scheibe 5 besteht aus Sektorblenden 8', 8" und 8"' aus Quarzgut, die sich um den Mittelpunkt der Scheibe herum über einen Winkel von 60° erstrecken. Die einzelnen Sektorblenden sind voneinander durch Zwischenräume getrennt, die sich ebenfalls über einen Winkel von jeweils 60° erstrecken. Jede der ßektorblendenn ist auf einer Muffe 9 montiert, durch die die Welle 6 hindurchgeht. Die Muffe 9 kann sich auf der Welle 6 nicht drehen. Die Muffe 9 wast einen Teil 9A auf, der durch die Chopper-Scheibe hindurchgeht, einen Teil 9B, der über den Teil 9A hinübergreift, und eine Untertegscheibe und eine Schraubenmutter 9C, mit der die Muffe 9 gegen die Sektorblenden der Scheibe 5 angepreßt wird. Die äußere Kante der Scheibe 5 wird durch eine zweiteilige Kappe 10 geschützt.The chopper disk 5 consists of sector diaphragms 8 ', 8 "and 8"' Fused silica, which extends around the center of the disk over an angle of 60 ° extend. The individual sector diaphragms are separated from each other by spaces, which also extends over an angle of 60 ° each. Each of the ßektorblendenn is mounted on a sleeve 9 through which the shaft 6 passes. The sleeve 9 cannot rotate on the shaft 6. The socket 9 wast a part 9A, which passes through the chopper disc, a part 9B that extends over the Part 9A reaches over, and an under-washer and nut 9C, with which the sleeve 9 is pressed against the sector diaphragms of the disc 5. The outer The edge of the disc 5 is protected by a two-part cap 10.
Die Ausgangsgröße der Zelle4 wird einer Vorrichtung 11 zugeführt, die das Verhältnis der Strahlungsante'le bestimmt. Die Ausgangsgröße dieser Vorrichtung 11 ruft am Meßinstrument 12 einen aus schlag hervor, der eine direkte Anzeige der Temperatur der Wandung 3 ist.The output of the cell 4 is fed to a device 11, which determines the ratio of the radiation components. The output of this device 11 causes a blow on the measuring instrument 12, which is a direct display of the The temperature of the wall 3 is.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird als elektrische Zelle eine nicht-gekühlte Indium-Antimonid-Zelle verwendet, wie sie beispielsweise von der Firma "Mullard" unter der Typenbezeichnung ORP 10 vertrieben ird. er Empfindlichkeitsbereich dieser Zelle liert zwischen 7 000 und 77 000 Angström.In one embodiment of the invention is used as an electrical cell uses a non-cooled indium antimonide cell, such as that used by by the company "Mullard" under the type designation ORP 10. he sensitivity range this cell is between 7,000 and 77,000 angstroms.
Bei einer Messung rotiert der Licht-Chopper, und das Pyrometer wird von dem Bogen weg auf ein Gebiet der Ofenwandung gerichtet, das durch die Ofentüren hinduch sichtbar ist. Unter diesen Bedingungen mißt das P@ormeter abwechselnd Energie zwischen 7 000 und 77 000 Angström und zwischen 7 000 und 45 000 Angström, die von der Ofenwadnung einfällt. Im ersten Fall trifft die Energie durch einen Zwischenraum zwischen den Sektorblenden der Chopper-Scheibe auf das Pyrometer auf, so dam da@ Energieband durch den Empfindlichkeitsbereich der elektrischen Zelle bestimmt ist. Im zweiten Fall wird die Energie, bevor sie auf die Zelle auftrifft, von den Sektorscheiben de@ Choppers gefiltert, die die Strahlungsanteile oberhalb eincr-ellenl nge von 45 000 Angström absorbieren. Aus diesen beiden Messungen mit gefilterter und un@efilterter Strahlungsenergie (genauer gesagt us einer ga zen Fol e von Doppelmessungen) kann die Temperatur des Ofens von einem Schaltkreis erreichnet werden, der ein geeichtes Anzeigeinstrument ansteuert. Diese Eichtung kann so erfolgen, daß sich direkt die Ofentemperatur in °C oder °K ergibt.When taking a measurement, the light chopper rotates and the pyrometer becomes directed away from the arch to an area of the furnace wall through the furnace doors hinduch is visible. Under these conditions the P @ ormeter alternately measures energy between 7,000 and 77,000 angstroms and between 7,000 and 45,000 angstroms, those of the kiln comes to mind. In the first case, the energy hits through a gap between the sector diaphragms of the chopper disk on the pyrometer, so dam da @ Energy band is determined by the sensitivity range of the electrical cell. In the second case, the energy is taken from the sector disks before it hits the cell de @ Choppers filtered that the radiation components above a length of Absorb 45,000 angstroms. From these two measurements with filtered and un @ filtered Radiant energy (more precisely from a whole series of double measurements) can the temperature of the oven can be reached by a circuit that has a calibrated Activates display instrument. This Eichtung can be done in such a way that the Oven temperature in ° C or ° K results.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform erstreckten ich die verschiedenen Sektoren und Zwischenräume der Chopper-Scheibe iber einen I inkelbereich von jeweils 60°. Diese verschiedenen Winkelbereiche brauchen jedoch nicht wie in dieser bevorzugten Ausführen sform in der N-he von 600 zu liegen, und sie brauchen auch untereinander nicht in einem festen VErh@ltnis zu stehen.In the embodiment described so far, I extended the various Sectors and spaces of the chopper disk over a leg area of each 60 °. However, these different angular ranges do not need to be preferred as in this one Run sform to be close to 600, and they also need each other not to be in a fixed relationship.
Bin Strahlungspyrome-ter is-t ganz allgemein e-in Meßinstrument, das ganz allgemein zur Feststellung der TEmperatur einer entfernt lie-enden, heißen Oberfläche dient . Es beruht darauf, daß man Strahlung, die von dieser heißen Oberfl che abgestrahlt wird, auf ein temperaturempfindliches Element wie beispielsweise ein Thermoelement oder eine wärmeempfindliche helle auffallen läßt oder die Strahlung auf ein solches - Element fokussiert. Dann braucht raan nur noch die Ausgangsgröße dieser; Liementes zu messen. Diese Ausgangsgröße hängt von der Intensit t der auf das Element auffallenden Strahlungsenergie ab, die ihrerseits wieder eine Funktion der Temperatur der strahlenden Oberfl ehe ist. Je höher die Oberflächentemperatur ist, desto größer ist die Energieintensität und umgekehrt. Die Energieintensität hängt außerdem von den @@@issichskoeffizienten der Oberfl@che ab, so daß die Energieintensität bei einer vorgegebenen Temperatur für einen großen Emissionskoeffizienten größer als für einen kleinen Emissionskoeffizienten ist.A radiation pyrometer is in general a measuring instrument that in general to determine the temperature of a remote hot Surface serves. It is based on the fact that radiation emitted by this hot surface surface is radiated onto a temperature-sensitive element such as a thermocouple or a heat sensitive light or the radiation focused on such an element. Then all you need is the output variable this; Measure Liementes. This output variable depends on the intensity of the the element from incident radiation energy, which in turn has a function the temperature of the radiant surface. The higher the surface temperature is, the greater the energy intensity and vice versa. The energy intensity also depends on the @@@ isichskoefficient of the surface, so that the energy intensity greater at a given temperature for a large emission coefficient than is for a small emission coefficient.
Bei ein und derselben Temperatur gibt eine Oberfl che mit einem bestimmten Emissi@nskoeffizienten einen anderen Pyrometeraus-@chlag als eine Oberfllche mit ehem anderen Emissfonskoeffizienten.At one and the same temperature, there is a surface with a certain Emission coefficients have a different pyrometer reading than a surface formerly other emission coefficient.
(Andere Paramter wie beispielsweise der @@@winkel sollen d abei als konstant angesehen werden.) Man kann daher ein gewöhnliches Pyrometer nur so eichen, ß seine Temperaturanzeige nur für ein Material von einem bestimmten Emissionskoeffizienten gültig ist. Bei anderen Materialien mit andern Emissionskoeffizienten müssen Korrekturen angebracht werden.(Other parameters such as the @@@ angle should be used as be considered constant.) One can therefore be an ordinary one pyrometer calibrate only in such a way that its temperature display is only for one material of a particular one Emission coefficient is valid. For other materials with different emission coefficients corrections must be made.
Diese Schwierigkeit wird in dem ZWeifarben-Pyrometer vermieden.This difficulty is avoided in the two-color pyrometer.
Hier werden Messungen der Energieintensität in zwei verschiedenen Spektralbereichen (d.h. zweier verschiedener "Farben") durchgeführt und das Verhältnis der beiden Intensitäten gebildet. In dieses Verh@ltnis gehen, grob gesprochen, die Emissionskeeffizienten nicht mehr ein, - vorausgesetzt, das sie in den beiden Spektralbereichen gleich sind - und die Pyrometerablesung wird von den Imissionskoeffisienten der Strahlenden Oberfläche unab-@@ngig.Here are measurements of energy intensity in two different ways Spectral ranges (i.e. two different "colors") performed and the ratio of the two intensities. To go into this relationship, roughly speaking, the Emission coefficients are no longer a - provided that they are in the two spectral ranges are equal - and the pyrometer reading is taken from the immission coefficients of the Radiant surface independently.
Interessiert man sich fär die MNessung eines bestimmten Temperaturbereiches, so wird man die Filter zweckmäßigerweise so auswehlen, dem die @nderung der Energie mit der Wellenl@nge in Abhängigkeit von der Temperatur eine grome prozentuale Anderung des Verhältnisses der von deii beiden Filtern durchgelassenen Strahlungsenergien hervorruft. Dadurch kann man eine besonders hohe Temperaturempfindlichkeit erreichen. Wenn beispielsweise die Photozelle auf Strahlung zwischen 7000 und 77 O Angström anspricht, läßt der Luft-"Filter" dieses gesamte Energieband n durch, während der @uarziilter nur ein Energieband zwischen 7 000 und 45 000 Angström hindurchläßt. Wenn man sich daher für einen Temperaturbereich interessiert, in dem sichh die Wellenlänge der maximalen Energieemission zwischen 25 000 und 65 000 Angström ändert, (das is-t im Bare ich zwis hen 334°C und 172°C der Fall)andert sich das Verh ltnis der Energiemenge im Energieband zwis hen 7 000 und 77 000 Angström zur Energiemenge rischen 7 000 und 45 u00 Angström beträchtlich, (namlich etwa von 1,6 auf 3,7), so daß die Temperaturempfindlichkeit sehr gut ist. Mit dieser Kormbination aus Photozelle und Filter können auch höhere Temperaturen gemessen werden. Jedocft ist dann die Meßgenauigkeit nicht mehr so gut. Wenn beis@ielsweise die Wellenlänge der maximalen Energieemission bei 15 000 Angström liegt, (das entspricht einer Temperatur von 1655°C, beträgt das Verhältnis der Energiemengen in den beiden Spektralbändern nur noch etwa 1,25. Will man Temperaturm oberhalb 100000 messen, iot es daher günstig, anstelle von Quarzgut ein Filtermat erial wie beispielsweise "Perspex" zu verwenden, das oberhalb einer Wellenlänge von 22000 Angström Beine Energie mehr durchläßt.If you are interested in measuring a certain temperature range, so one will choose the filter expediently in such a way that the change of the energy with the wavelength as a function of the temperature there is a great percentage change the ratio of the radiant energies transmitted by the two filters evokes. This enables a particularly high temperature sensitivity to be achieved. For example, if the photocell reacts to radiation between 7000 and 77 O Angstroms responds, the air "filter" lets through this entire band of energy n during the @uarziilter only lets through a band of energy between 7,000 and 45,000 angstroms. Therefore, if one is interested in a temperature range in which the wavelength is the maximum energy emission changes between 25,000 and 65,000 angstroms, (that is-t in the bar between 334 ° C and 172 ° C) the ratio of the amount of energy changes in the energy band between 7,000 and 77,000 angstroms to an energy quantity of 7,000 and 45 u angstroms considerably (namely approximately from 1.6 to 3.7), so that the temperature sensitivity is very good. With this combination of photocell and filter, higher Temperatures are measured. However, the measurement accuracy is then no longer so Well. If, for example, the wavelength of the maximum energy emission is 15,000 Angstrom lies (this corresponds to a temperature of 1655 ° C the ratio of the amounts of energy in the two spectral bands is only about 1.25. If you want to measure temperatures above 100,000, it is cheap instead of Fused quartz to use a filter material such as "Perspex" above a wavelength of 22,000 angstroms allows more energy to pass through.
Werden zwei verschiedene Materialien fiir die Filter verwendet (also nicht Luft), so ist es günstig, sie nach ihren Durchlaßbereichen derat zu wahlen, daß diese beiden Bereiche jeweils links und rechts des Maximums der Kurve liegen, die sich ergibt, wenn man die Wel lenlängen maximaler Energieemission in @bhängigkeit von der Temperatur der strahlenden Fläche aufzeichnet. Auf dieqe Weise läßt sich eine höhere prozentuale @nderung im Verhältnis der v@ @ den beider Filtern hindurchgelassenen Energien in Abhängigkeit von der Temperatur erzielen, jedoch auf Kosten der Signalhöhe, die bei einen Filter/Luft-System höher iut. ER soll noch bemerkt werden, daß der spektrale Durchlaßbereich von Filternn merklich von der Materialdicke abhänst.If two different materials are used for the filters (i.e. not air), it is better to choose them according to their transmission ranges, that these two areas are to the left and right of the maximum of the curve, which results if one considers the wavelengths of maximum energy emission in relation to records of the temperature of the radiating surface. In this way you can a higher percentage change in the ratio of the v @ @ the two filters let through Achieve energies depending on the temperature, but at the expense of the signal height, which is higher with a filter / air system. He should also be noted that the The spectral transmission range of filters depends noticeably on the material thickness.
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