DE1573354C - Meßkopf fur ein Strahlungspyrometer Ausscheidung aus 1423955 .Anm Uher AG fur Zahler und elektroni sehe Gerate, Wien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßkopf für ein Strahlungspyrometer, der mit einer photoelektrischen Zelle zur Messung der einfallenden Strahlung versehen ist und der ein auf das Meßobjekt zu richtendes Visierrohr zum Anvisieren des Meßobjektes unter Benützung des auch bei der Messung in den Meßkopf eintretenden Strahlenbündels und eine im Strahlengang angeordnete, durch einen Elektromotor angetriebene Strahlunterbrecherscheibe aufweist, und der weiter mit einer von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkammer versehen ist.

Ein bekannter Meßkopf, der z. B; zur Kontrolle von Verbrennungsvorgängen dient, weist einen langgestreckten axialen Aufbau auf, wobei an dem dem Meßobjekt zugewandten Ende eine von einem Kühlmedium erfüllte Kühlkammer vorgesehen ist, wobei weiter eine elektromotorisch angetriebene Lochscheibe zur Modulation der Strahlung und am anderen Ende des Meßkopfes zwei Photozellen angeordnet sind, welchen Photozellen die zu messende Strahlung gleichzeitig über ein das Strahlungsbündel in zwei getrennte Strahlenbündel teilendes Prisma zugeführt wird.

Bei einem anderen bekannten Meßkopf ist vorgesehen, das zur Messung in den Meßkopf eintretende Strahlenbündel wahlweise auch zum Anvisieren jener Stelle des Meßobjektes zu benützen, deren Temperatur bestimmt werden soll; bei diesem bekannten Meßkopf wird dabei das Strahlenbündel im Inneren des Meßkopfes zur Hinleitung zur Beobachtungsöffnung und zu mehreren Meßstellen über mehrere, eine Strahlumleitung bewirkende, optische Elemente geführt.

Durch das Anvisieren des Meßobjektes unter Benützung des Strahlenbündel, das danach auch zur Messung herangezogen wird, kann nicht nur eine exakte Festlegung der Meßstelle vorgenommen werden, sondern es kann damit auch eine Stelle ausgewählt werden, innerhalb derer keine Temperaturunterschiede vorhanden sind, was für eine genaue Anzeige von Bedeutung ist. Das periodische Unterbrechen des auf die Photozelle auffallenden Strahlenbündels ergibt die Möglichkeit, zur Verstärkung der Photozellenspannung einen Wechselspannungsverstärker zu verwenden, der im allgemeinen eine höhere Verstärkung und eine bessere Stabilität zu erzielen gestattet, als dies bei Gleichspannungsverstärkern möglich ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Eichkonstanz zu erhöhen und die Störanfälligkeit zu vermindern. Das Vorsehen einer Kühleinrichtung schließlich dient gleichfalls dazu, störende Einflüsse zu vermindern.

Die Erfindung bezweckt, eine weitere Herabsetzung der Störanfälligkeit, insbesondere bei ungünstigen Betriebsbedingungen, zu erreichen und unter Verwendung einfacher Mittel die Genauigkeit zu verbessern.

Der erfindungsgemäße Meßkopf eingangs erwähnter Art ist gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale,

a) daß die phoioelektrische Zelle in an sich bekannter Weise eine infrarot-empfindliche Photodiode ist,

b) daß ein senkrecht zur optischen Achse verschiebbarer Schieber vorgesehen ist, welcher in inniger wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer steht, auf welchem die photoelektrische Zelle angeordnet und in welchem eine Durchblicköffnung so vorgesehen ist, daß in der einen Endlage des Verschiebungsweges des Schiebers sich die photoelektrische Zelle und in der anderen Endlage des Verschiebungsweges sich die Durchblicköffnung in der optischen Achse befindet, und

c) daß die Strahlenunterbrecherscheibe in unmittelbarer Nähe der photoelektrischen Zelle angeordnet ist.

Durch das Vorsehen einer infrarot-empfindlichen Photodiode ist es möglich, auch die Temperaturen von Körpern zu bestimmen, die unterhalb der Glühtemperatur liegen und praktisch kein sichtbares Licht mehr ausstrahlen. Die Empfindlichkeit derartiger Photodioden ist nun verhältnismäßig stark von ihrer Eigentemperatur abhängig und es ist zur Erzielung einer guten Konstanz der Eichung erforderlich, diese Eigentemperatur möglichst konstant zu halten; gleichzeitig soll die Eigentemperatur möglichst niedrig sein, da die Empfindlichkeit infrarot-empfindlicher Photodioden mit sinkender Eigentemperatur größer wird. Wärmeeinflüsse, die die erstrebte Konstanz der Eigentemperatur und einen möglichst tiefen Wert derselben stören, rühren einerseits von der Umgebung bzw. vom Meßobjekt her und haben andererseits auch im Meßkopf selbst, in der Eigenerwärmung des zum Antrieb der Unterbrecherscheibe vorgesehenen Motors und in der Eigenerwärmung der Photodiode durch Stromdurchgang ihren Sitz. Durch die in den meisten Fällen auf einer Außenseite des Meßkopfes auftreffende externe Wärmestrahlung und durch die im Inneren des Meßkopfes entstehende Wärme besteht außerdem die Tendenz zur Entstehung beträchtlicher Temperaturunterschiede im Inneren des Meßkopfes. Diesen Schwierigkeiten wird durch die Maßnahme, daß der Schieber, auf dem die Photozelle angeordnet ist, in inniger wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer steht, wirkungsvoll entgegengewirkt. Das Anordnen der Strahlenunterbrecherscheibe in unmittelbarer Nähe der photoelektrischen Zelle intensiviert den Wärmeaustausch durch ihre rasche Rotation und trägt zur Verhinderung des Entstehens von Temperaturunterschieden in der Umgebung der Photozelle bei.

Die Anwendung von Pyrometern erfolgt vornehmlich in Verbindung von Wärmebearbeitungsvorgängen von Werkstücken. Mit derartigen Bearbeitungsvorgängen geht meistens eine Verunreinigung der Luft in den Arbeitsräumen einher, wobei die Luft neben festen Teilchen, wie Staub und Ruß, vielfach auch Dämpfe und tröpfchenförmige Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, enthält. Derartige Verunreinigungen tendieren dazu, sich auf den im Raum befindlichen Gegenständen abzusetzen. Es ist nun wichtig zu vermeiden, daß durch eine solche Verschmutzung die Meßgenauigkeit eine Beeinträchtigung erfährt. Da nun gerade optische Elemente, die zur Ablenkung des Strahlenganges bekannt sind, wie Prismen und Spiegel, gegenüber Verschmutzung sehr empfindlich sind, ist beim erfindungsgemäßen Meßkopf vorgesehen, keine Aufteilung bzw. wahlweise Umlenkung des Strahlenganges, zum Anvisieren einerseits und zum Messen andererseits, vorzunehmen, sondern die Photozelle zur Messung in den vorher zum Anvisieren benützten Strahlengang einzuschieben; dies erfolgt dadurch, daß ein senkrecht

zur optischen Achse verschiebbarer Schieber vorgesehen ist, auf welchem die photoelcktrische Zelle angeordnet und in welchem eine Durchblicköffnung vorgesehen ist, wobei in der einen Endlage des Verschiebungsweges des Schiebers sich die photoelektrisehe Zelle und in der anderen Endlage des Verschiebungsweges sich die Durchblicköffnung in der optischen Achse befindet. Zur exakten Festlegung der Endlagen des Schiebers, die insbesondere bei jener Lage, in der sich die Photozelle im Strahlengang befindet, von großer Bedeutung ist, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zum Einstellen der Photodiode und der Durchblicköflnung zwei justierbare Anschläge für den Schieber vorgesehen sind, durch welche die Photodiode und die Durchblickölfnung genau in der optischen Achse justierbar sind.

Die Bedienung des Meßkopfes bzw. das Anvisieren wird erheblich erleichtert, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung am Träger des Schiebers* in Fortsetzung des Visierrohres an der dem zu messenden Objekt abgewendeten Seite ein Schaurohr angeordnet ist, auf dem ein von Hand betätigbarer Hebel schwenkbar gelagert ist, der mit dem Schieber gekuppelt ist.

Um zu gewährleisten, daß während der Messung die Photodiode einwandfrei in dem durch das Visierrohr tretenden Strahlengang liegt, ist am Schieber bzw. an dem mit diesem Schieber gekuppelten Hebe! einerseits und am Träger des Schiebers andererseits eine Feder befestigt, deren Kraft den Schieber in jene Lage bringt, in der die Photodiode in der optischen Achse des Visierrohres liegt.

Zweckmäßigerweise ist der Meßkopf mittels einer Abdeckhaube abgedeckt, die mit der Kühlkammer in wärmeleitender Verbindung steht und durch die das Schaurohr mit einem dieses umgebenden rohrförmigen Ansatz des Hebels hindurchragl.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Meßkopf nach der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Meßkopf nach F i g. 1 bei abgenommener Abdeckhaube,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2, wobei die Photodiode mittels des Schiebers in die optische Achse des Visierrohres gebracht ist.

Fig. 4 die hierzu gehörige Stellung des Bedienungshebels für den Schieber und

Fig. 5 jene Stellung des Schiebers, bei der dessen Durchblicköffnung in die optische Achse des Visierrohres gebracht ist.

Der in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Meßkopf weist eine Photodiode 2 zum Herleiten einer elektrischen Größe aus der zu messenden Strahlung auf. Die einfallende Strahlung wird mit einer Lochscheibe 4 moduliert, welche Lochscheibe von einem Synchronmotor 3 in Drehung versetzt wird. An jener Seite des Meßkopfes, die gegen das Objekt zu richten ist, dessen Temperatur gemessen Go werden soll, befindet sich ein Visierrohr 6, das durch eine Kühlkammer 7 hindurchgeführt ist, die die Inneneinrichtung des Meßkopfes gegen Wärmeeinwirkungen schützt bzw. die Temperatur im linieren konstant hält, wobei für die Zufuhr des Kühlmediums Stutzen vorgesehen sind, von denen einer dargestellt und mit 8 bezeichnet ist. Auf die Vorderseite des Visierrohres 6 ist eine auswechselbare Blend'.¹ Ui aufgesetzt, wobei je nach Wahl der Blendenöllnung verschiedene Meßbereiche wählbar sind.

Die vom strahlenden Objekt herrührende Strahlung tritt durch die Blende 10 in das Visierrohr 6 ein und trifft die Photodiode 2, wobei sie von der vom Synchronmotor 3 angetriebenen Lochscheibe 4 rhythmisch zerhackt wird, wodurch sich der Widerstand der Photodiode im Rhythmus der Strahlenunterbrechung ändert. Diese Widerstandsänderung ist ein direktes Maß für die Infrarotstrahlung des MeLiobjektes und damit auch ein Maß für dessen Temperatur.

Nach dem Durchlaufen des Visierrohres 6 tritt die Strahlung bei dem in Fig. I dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Öffnung im Stator des Motors 3 hindurch; dadurch ergibt sich ein platzsparender Aufbau. Die Photodiode 2 ist in einem Röhrehen 14 gehaltert, das auf einem Schieber 15 befestigt ist. Dieser Schieber weist eine Durchblickölfnung 16 auf, an die gleichfalls ein Rohr 17 angesetzt ist. Der Schieber 15 ist auf einem Träger 18 verschiebbar angeordnet und steht mit diesem in gut wärmeleitender Verbindung. Der Träger 18 selbst steht über einen Messingkeil 19 und einen starken Mcssingstreifen 20 in gut wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer 7, wie dies F i g. 2 zeigt. An dem Träger 18 sind zwei justierbare Anschläge 21 und 22 vorgesehen, wobei der Anschlag 22 so einjustiert ist, daß die Photodiode 2 genau auf die optische Visierlinie des Visierrohres 6 einstellbar ist, wobei die Photodiode zur Einstellung der Richtung maximaler Empfindlichkeit in ihrer Halterung 14 schwenkbar und fixierbar ist. Der Anschlag 21 ist derart einjustiert, daß bei Verschieben des Schiebers 15 quer zur Visierlinie dieser so weit verschoben werden kann, bis die Mittellinie der Durchblicköfinung 16 genau mit der Mittellinie der Photodiode in der erstgenannten Stellung übereinstimmt. An den Träger 18 ist ein Schaurohr 23 angesetzt. Über dieses Schaurohr 23 ist, wie die Fig. 1, 2 und 4 zeigen, ein rohrförmigcr Ansatz 24 geschoben, der einen Hebel 25 aufweist, dessen Ende einen Schlitz 26 besitzt, in den ein Zapfen 27 eines Armes 28 (siehe auch F i g. 3 und 5) des Schiebers 15 eingreift. An dem Schieber 15 einerseits und an dem Träger 18 andererseits ist eine Feder 29 befestigt, die den Schieber stets in jene Lage zieht, in der sich die Photodiode im Strahlengang befindet. Auf dem Ansatz 24 ist ein Handgriff 31 angebracht. Der Meßkopf ist mit einer Abdeckhaube 30 lichtdicht verschlossen. Für die Stroinzu- bzw. Abfuhrleitungen sind in einem 'Träger 32 Buchsen 33, 34 eingesetzt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel zwecks Trennung der von der Photodiode kommenden Leitungen und der zum Synchronmotor führenden Leitungen getrennte Buchsen vorgesehen sind. Zur Befestigung bzw. Montage des Meßkopfes ist ein Fuß 35 vorgesehen.

Die Kühlkammer verhindert Änderungen der Inivjntemperatur des Meßkopfes durch äußere Ein-(Hisse und führt auch Wärme, die im Innern entsteht, ab, wodurch Änderungen der Temperatur der Photodiode 2 hintangehalten sind; zu welchem Zweck einerseits der Synchronmotor 3 nahe der Kühlkammer 7 angeordnet ist, andererseits, wie bereits er wähnt, die Photodiode 2 über den Träger !8. den Messingkeil 19 und den Messingstreifen 20 in gut wärmeleitender Verbindung mil der Kühlkammer 7 steht.

Mittels der Feder 29 wird erreicht, daß der Schieber 15 stets in die Lage gezogen wird, die in Fig. 3 dargestellt ist, in der die Photodiode 2 genau in der optischen Achse befindlich gezeichnet ist. Wird der in Fig. 4 sichtbare Hebel 31 von Hand aus im Uhrzeigersinn verschwenkt, so wird der Schieber 15 gegen die Kraft der Fccler 29 nach unten in jene Lage geschoben, die in F i g. 5 dargestellt ist, in der sich der Mittelpunkt der Durchblicköfrnung 16 genau an der gleichen Stelle befindet wie die Photodiode in der Stellung nach Fig. 3. Bei Loslassen des Hebels 31 kehrt der Schieber infolge der Kraft der Feder 29 wieder in die Lage der F i g. 3 zurück und wird so in der Meßstellung gelullten.

Bei der Inbetriebnahme des Meßkopfes wird der Handgriff 31 betätigt und der Meßkopf, unter Hindurchblicken durch das Schaurohr 23, die rotierende Lochscheibe 4. das Visierrohr 6 und die Blende 10. auf das zu messende Objekt gerichtet und genau auf die Stelle eingestellt, deren Temperatur gemessen werden soll. Ist der Visiervorgang beendet, dann wird tier Hebel losgelassen, worauf der Schieber selbsttätig in die Meßstellung gleitet. Durch diese Maßnahme ist jede Fehlbedienung ausgeschlossen. Die Umschaltung des Meßbereiches kann durch Auswechseln der Blende erfolgen, deren Öffnung um so kleiner gewühlt wird, je höher die Temperatur des Meßobjektes ist. Die Umschaltung des Meßbereiches kann aber auch bei gleichbleibender Blende im Verstärker \orgenommen werden. Die Größe der Blendenöffnung ist im Hinblick darauf zu wählen, daß die niedrigste zu messende Temperatur am Meßinstrument 12 einen so großen Zeigerausschlag ergibt, daß er noch mit Sicherheit abgelesen werden kann, und hängt vom kleinsten zu messenden Objekt und von der Fntfernung vom Meßobjekt ab. Während sich bei großen Objekten (einige dm- Fläche) und Temperaturen über 40(1 C bei Abständen von 0.5 bis 2 m praktisch keine Schwierigkeiten bezüglich der an der Photodiode verfügbaren Strahlungsenergie ergeben, muß bei kleinen Meßflächen (etwa 1 cm-) und 0.5 bis 1 m Abstand die Blende so groß gewählt werden, daß das ganze Gesichtsfeld bei dem vorgegebenem Abstand von der Meßflächc ausgefüllt ist. In diesem Falle ist die Anzeige der Temperatur durch das Meßinstrument 12 in weiten Grenzen entfernungsunabhängig.

Das Visierrohr 6 ist mit einem strahlungsabsorbierenden Material reflexionsfrei gemacht, damit seitlich einfallende Strahlung nicht durch Reflexion im Visierrohr 6 auf die Photodiode 2 fallen kann.

Bei einem Ausfiihrungsbeispiel wurde ein Synchronmotor verwendet, der eine Drehzahl von 3000 U.-min hatte. Der Lochdurchmesser der Lochscheibe 4. die knapp an der Photodiode 2 vorbeirotierend angeordnet ist. wird zweckmäßig gleich den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Löchern gewählt und ist vorteilhaftcrweise etwas größer als der Durchmesser der Glaslinse der Photodiode. Die Loch/.ahl selbst wird vorteilhal'terweise derart gewählt, daß die Unterbrecherscheibe bei der gegebenen Drehzahl des Synchronmotor eine Lochfrequenz von mehr als K)OHz liefert, damit Störsignale, die etwa vom Speisewechselslrom von 50 Hz herrühren, im Verstärker vom Nutzsignal getrennt werden können, wobei zweckmäßig Lochfrequenzen von bis H)OOHz gewählt werden, die dann im Verstärker selektiv verstärkt werden können.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Meßkopf für ein Strahlungspyrometer, der mit einer photoelektrischen Zelle zur Messung der einfallenden Strahlung versehen ist und dci ein auf das Meßobjekt zu richtendes Visierrohr zum Anvisieren des Meßobjektes unter Benutzung des auch bei der Messung in den Meßkopf eintretenden Strahlenbündels und eine im Strahlengang angeordnete, durch einen Elektromotor angetriebene Strahlenunterbrecherscheibe aufweist, und der weiter mit einer von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkammer versehen ist. gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale,

a) daß clic photoelektrische Zelle in an sich bekannter Weise eine infrarot-empfindliche Photodiode ist,

b) daß ein senkrecht zur optischen Achse verschiebbarer Schieber vorgesehen ist. welcher in inniger wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer steht, auf welchem die photoelektrische Zelle angeordnet und in welchem eine Durchblicköflnung so vorgesehen ist. daß in der einen Fndlar lcs Verschiebungsweges des Schiebers .-,ich die photoelektrische Zelle und in der anderen Fiidlage des Verschiebungsweges sich die Durchblicköffnung in der optischen Achse befindet, und

c) daß die Strahlenunterbrecherscheibe in unmittelbarer Nähe der photoclektrischcn Zelle angeordnet ist.

2. Meßkopf nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zum Hinstellen der Photodiode und der üurchblicköffnung zwei justierbare Anschläge für den Schieber vorgesehen sind, durch weiche die Photodiode und die Durchblicköffnung genau in der optischen Achse justierbai sind.

3. Meßkopf nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß am Träger des Schiebers in Fortsetzung des Visierrohres an der dem zu messenden Objekt abgewendeten Seite ein Schaurohr angeordnet ist, auf dem ein von Hand betätigbarer Hebel schwenkbar gelagert ist, der mit dem Schieber gekuppelt ist.

4. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schieber an der Stelle der Durchblicköffnung ein in das Innere des Meßkopfes gerichtetes Rohr angesetzt ist. dessen Länge gleich der Länge der gleichfalls rohrförmigen Halterung der Photodiode ist.

5. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Schieber bzw. an dem mit diesem Schieber gekuppelten Hebel einerseits und am Träger des Schiebers andererseits eine Feder befestigt ist, deren Kraft den Schieber in jene Lage bringt, in der die Photodiode in der optischen Achse des Visierrohres liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen