DE19615244A1 - Radiation pyrometer measuring object temperature in e.g. drying- or heat treatment chamber - Google Patents

Radiation pyrometer measuring object temperature in e.g. drying- or heat treatment chamber

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Abstract

This new sensor used in radiation pyrometry, measures the temperature of an object, especially in hotter surroundings, e.g. within a hot air drying chamber or heat treatment plant. It has a thermally-conductive casing (1) with window (2) permeable to long wave, infra red radiation. Behind this are the connected wire thermocouples of a thermopile. The wire elements (5) comprise complementary thermoelectrically-active materials. They lie roughly axi-parallel in a poorly-conducting cylindrical body, having good temperature resistance. In the symmetrical arrangement, the junctions (7) are located on its end faces (61, 62). A number of junctions are covered by a radiation screen (8). The novel feature is the separate thermocouple (9) measuring the characteristic temperature of the sensor at the screen (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur strahlungspyro­ metrischen Messung der Temperatur eines Meßobjektes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a sensor for radiation pyro metric measurement of the temperature of a measuring object according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Sensor ermöglicht die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur von festen Werkstof­ fen, Materialien und Erzeugnissen insbesondere im In­ nern von Heißlufttrocknern und Wärmebehandlungsanlagen unter Bedingungen hoher Umgebungstemperaturen und an Stellen, die visuell von außen nicht zugängig sind. Die durch mehrere innerhalb der Anlage in unmittelbarer Nä­ he der zu messenden Oberfläche angeordnete Sensoren er­ haltene Kenntnis des räumlichen und zeitlichen Tempera­ turprofils des zu behandelnden Materials ist neben an­ deren Prozeßparametern eine wichtige Voraussetzung zur optimierten Prozeßführung im Hinblick auf Wirtschaft­ lichkeit und Qualitätssicherung.Such a sensor enables contactless Measurement of the surface temperature of solid materials fen, materials and products especially in of hot air dryers and heat treatment systems under conditions of high ambient temperatures and on Places that are not visually accessible from the outside. The by several within the plant in the immediate vicinity he arranged sensors of the surface to be measured keeping knowledge of the spatial and temporal tempera ture profile of the material to be treated is next to whose process parameters are an important prerequisite for optimized litigation with regard to economy and quality assurance.

Aus der älteren Patentanmeldung P 44 41 257.6 ist ein Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung von Tempe­ raturen mittels Thermosäulen unter Anwendung von Werk­ stoffen und Bauelementen vorgeschlagen, die gegenüber Temperaturen bis zu 400°C und mehr beständig sind, so daß dies Messungen unter Bedingungen hoher Umgebungs­ temperaturen ermöglicht, ohne daß Maßnahmen zur Kühlung des Sensors erforderlich sind.From the older patent application P 44 41 257.6 is a Sensor for radiation pyrometric measurement of Tempe fittings using thermopiles using the factory substances and building elements suggested that opposite Temperatures up to 400 ° C and more are stable that this is measurements under high ambient conditions enables temperatures without taking measures for cooling of the sensor are required.

Das Prinzip dieses Sensors beruht darauf, daß die Löt­ stellen der Thermosäulen auf den Grundflächen eines zy­ lindrischen Körpers aus hitzebeständigem, schlecht wär­ meleitendem Material angeordnet sind, wobei die aus ge­ genseitig thermoelektrisch aktivem Material bestehenden Drahtelemente zwischen den Lötstellen achsparallel durch den Körper geführt werden. Eine Gruppe von Löt­ stellen liegt hinter einem strahlungsdurchlässigen Fen­ ster, wobei eine andere Gruppe von Bezugslötstellen durch einen strahlungsundurchlässigen Schild gegenüber der Strahlung abgedeckt ist.The principle of this sensor is based on the fact that the solder place the thermopile on the base of a zy  Lindric body made of heat-resistant, bad would are arranged conductive material, the ge mutually existing thermoelectrically active material Wire elements between the solder joints parallel to the axis to be led through the body. A group of solder place is behind a radiation-permeable fen ster, with another set of reference solder joints with a radiopaque shield opposite the radiation is covered.

Die Kompensation nichtstrahlungsbedingter Temperaturun­ terschiede zwischen den Lötstellen wird dabei dadurch erreicht, daß die gleich aufgebauten Thermosäulen ge­ genpolar in Reihe geschaltet werden. Zur Verbesserung der Kompensation von durch inhomogene Temperaturvertei­ lung im Sensor verursachten Störungen werden die Ther­ mosäulen weiter aufgeteilt in nacheinander angeordnete, wechselweise gegenpolar in Reihe geschaltete Gruppen, wobei die dem Fenster zugewandten Gruppen der Lötstel­ len wechselweise abgedeckt sind.The compensation of non-radiation-related temperatures The difference between the solder joints is thereby achieved that the identical thermopile ge genpolar are connected in series. For improvement the compensation of by inhomogeneous temperature distribution Faults caused in the sensor are the Ther mosques further divided into consecutive, groups alternately connected in opposite polarity, the groups of soldering facing the window len are covered alternately.

Bei einer schnellen Änderung der Umgebungstemperatur initiiert das sich dabei temporär aufbauende Tempera­ turgefälle zwischen dem Bereich des Fensters mit dem Schild und den der Strahlung ausgesetzten Lötstellen einen Strahlungsaustausch, der in der Kompensationssäu­ le eine Störung des Signals bedingt, bis sich ein neuer stationärer Zustand eingestellt hat.When the ambient temperature changes quickly initiates the tempera that builds up temporarily door falls between the area of the window with the Shield and the solder joints exposed to radiation a radiation exchange that occurs in the compensation column le causes a signal disturbance until there is a new one has set steady state.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Sensor derart weiterzubilden, daß auch im instationären Fall während der durch Umgebungstempera­ turschwankungen bedingten Änderung der Eigentemperatur eine zuverlässige Funktion gewährleistet ist. The invention has for its object a gat according sensor in such a way that also in unsteady case during the by ambient temperature changes in the inherent temperature reliable function is guaranteed.  

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved by the features of Claim 1 solved.

In einer vereinfachten Ausbildung des Sensors gemäß An­ spruch 2 wird auf eine Kompensations-Thermosäule ver­ zichtet, und sowohl die strahlungssensitiven als auch die Vergleichslötstellen einer einzigen, den Sensor bildenden Thermosäule werden auf der vorderen, dem Meß­ objekt zugewandten Grundfläche des Körpers angeordnet, wobei die Verbindungsdrähte zwischen den Lötstellen durch achsparallele Bohrungen über die hintere Grund­ fläche geführt sind.In a simplified design of the sensor according to An saying 2 is ver on a compensation thermopile waives, and both the radiation sensitive as well the comparison solder joints of a single one, the sensor forming thermopile are on the front, the measuring object-oriented base area of the body, with the connecting wires between the solder joints through axially parallel bores over the rear base are led.

Zweckmäßig ist der Schild aus einem Material mit einer guten Temperaturleitfähigkeit gefertigt und steht in wärmeleitender Verbindung mit dem Fenster, wodurch eine gleichmäßige Temperatur gewährleistet ist. Für eine An­ näherung an einen schwarzen Strahler ist die der Ther­ mosäule zugewandte Seite des Schildes mit einem Pigment geschwärzt.The shield is expediently made of a material with a good thermal conductivity and is in thermally conductive connection to the window, creating a uniform temperature is guaranteed. For an arrival the Ther is closer to a black spotlight side of the shield facing the pillar with a pigment blackened.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung, in der zwei nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind. Es zeigen:Further features of the invention result from the Be spelling and the drawing, in the two below embodiments of the Er described in detail are shown. Show it:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 1 is a schematic illustration of the structure of a sensor according to the invention,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine stirnseitige Grundflä­ che des Tragkörpers mit der Verteilung der Lötstellen der Thermosäulen des Sensors nach Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of an end Grundflä surface of the supporting body with the distribution of the solder joints of the thermopile of the sensor of Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines anderen erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 3 shows a schematic representation of the structure of another sensor of the invention,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine stirnseitige Grundflä­ che des Tragkörpers mit der Verteilung der Lötstellen der Thermosäule des Sensors nach Fig. 3. Fig. 4 is a plan view of an end Grundflä surface of the supporting body with the distribution of the solder joints of the thermopile of the sensor of FIG. 3.

Auf einem zylindrischen Tragkörper 6 (Fig. 1, 2) aus einem zementgebundenen leichten Silikat-Schaummaterial von 30 mm Höhe und 30 mm Durchmesser sind vier Ther­ mosäulen 31, 41, 32 und 42 aus je sechs Thermopaaren NiCr/Ni angeordnet, deren 0,2 mm dicke Drahtelemente 5 in achsparallelen Bohrungen in diesem Körper 6 geführt werden. Über den einander gegenüberliegenden Grundflä­ chen 61 und 62 des Körpers 6 befinden sich je vierund­ zwanzig in vier Quadranten der Kreisfläche symmetrisch angeordnete Lötstellen 7, deren Verteilung aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Thermosäulen 31, 41, 32, 42 sind wechselweise gegenpolar in Reihe geschaltet, so daß sich an den Verbindungsstellen zweier benachbarter Säu­ len jeweils Drahtelemente aus gleichem Material tref­ fen. In Fig. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit schematisch nur zwei benachbarte Thermosäulen 3 und 4 dargestellt. Die strahlungssensitiven Lötstellen 71 und die Bezugslötstellen 72 befinden sich auf der dem Meß­ objekt zugewandten Fläche des Körpers 6 hinter einem infrarotdurchlässigen Fenster 2 aus Bariumfluorid-Ein­ kristall von 30 mm Durchmesser und 3 mm Dicke, wobei die Lötstellen 72 der zur Kompensation dienenden gleichgepolten Thermosäulen durch einen strahlungsun­ durchlässigen Schild 8 gegenüber der äußeren Strahlung abgedeckt sind. Dieser Schild 8 ist an der Innenseite mit einem Pigment geschwärzt, besteht aus 0,2-mm-Kupferblech und befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit dem Fenster 2. Erfindungsgemäß ist an die­ sem Schild ein Thermoelement 9 montiert, dessen Meßwert in Verbindung mit dem Signal der Thermosäulen 31, 41, 32, 42 zur Bestimmung der Temperatur des Meßob­ jektes dient. Die Meßvorrichtung ist in einem zylindri­ schen Gehäuse 1 aus Aluminium mit einer Wandstärke von 2 mm untergebracht.On a cylindrical support body 6 ( Fig. 1, 2) made of a cement-bound lightweight silicate foam material of 30 mm in height and 30 mm in diameter, four thermo-columns 31 , 41 , 32 and 42 are arranged, each consisting of six thermocouples NiCr / Ni, the 0, 2 mm thick wire elements 5 are guided in axially parallel bores in this body 6 . Above the opposite Grundflä surfaces 61 and 62 of the body 6 are twenty-four solder joints 7 arranged symmetrically in four quadrants of the circular area, the distribution of which can be seen from FIG. 2. The thermopiles 31 , 41 , 32 , 42 are alternately connected in opposite polarity in series, so that each wire elements made of the same material meet at the junctions of two adjacent columns. For reasons of clarity, only two adjacent thermopiles 3 and 4 are shown schematically in FIG. 1. The radiation-sensitive solder joints 71 and the reference solder joints 72 are located on the surface of the body 6 facing the measurement object behind an infrared-transmissive window 2 made of barium fluoride monocrystals of 30 mm in diameter and 3 mm in thickness, the solder joints 72 serving as compensation for the same-polarized thermopiles a radiation-permeable shield 8 are covered with respect to external radiation. This shield 8 is blackened on the inside with a pigment, consists of 0.2 mm copper sheet and is in heat-conducting contact with the window 2 . According to the invention, a thermocouple 9 is mounted on the sem shield, the measured value of which, in conjunction with the signal from the thermopiles 31 , 41 , 32 , 42, serves to determine the temperature of the measuring object. The measuring device is housed in a cylindri's housing 1 made of aluminum with a wall thickness of 2 mm.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 besteht der Sensor aus einer einzigen Thermosäule mit sechzehn Thermopaaren, deren insgesamt zweiunddreißig Lötstellen auf der vorderen, dem Meßob­ jekt zugewandten Grundfläche des Körpers 6 symmetrisch in acht Sektoren der Kreisfläche gemäß Fig. 4 angeord­ net sind. Die Drahtelemente 5 aus NiCr bzw. Ni von 0,2 mm Durchmesser sind zwischen den Lötstellen achsparallel durch Bohrungen im zylinderförmigen Körper 6 aus einem zementgebundenen leichten Silikat-Schaumma­ terial über dessen rückwärtige Grundfläche geführt. Die Abmessungen des Körpers 6 betragen 30 mm Durchmesser und 30 mm Höhe. Die Lötstellen 7, deren Verteilung auf der Grundfläche des Körpers 6 in Fig. 4 dargestellt ist, befinden sich hinter einem strahlungsdurchlässigen Fenster 2 aus Bariumfluorid-Einkristall von 30 mm Durchmesser und 3 mm Dicke. In wärmeleitendem Kontakt mit diesem Fenster 2 befindet sich an dessen Innenseite ein malteserkreuzförmig ausgebildeter Schild 8 aus 0,2-mm-Kupferblech, der innen mit einem Pigment ge­ schwärzt ist, und an dem ein Thermoelement 9 montiert ist, dessen Ausgangssignal in Verbindung mit dem Signal der Thermosäule zur Bestimmung der Temperatur des Meß­ objektes dient. Dieser Schild bedeckt die Vergleichs­ lötstellen gegenüber der Strahlung. Der gesamte Sensor ist in einem zylindrischen Gehäuse aus Aluminium von 2 mm Wandstärke entsprechend dem Gehäuse 1 in Fig. 1 angeordnet.In a second exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4, the sensor consists of a single thermopile with sixteen thermocouples, the total of thirty-two soldering points on the front, the measuring object facing base surface of the body 6 symmetrically arranged in eight sectors of the circular area according to FIG. 4 are. The wire elements 5 made of NiCr or Ni of 0.2 mm in diameter are guided axially parallel between the solder joints through bores in the cylindrical body 6 made of a cement-bonded light silicate foam material over its rear base. The dimensions of the body 6 are 30 mm in diameter and 30 mm in height. The solder joints 7 , the distribution of which on the base of the body 6 is shown in FIG. 4, are located behind a radiation-permeable window 2 made of barium fluoride single crystal with a diameter of 30 mm and a thickness of 3 mm. In heat-conducting contact with this window 2 is on the inside of a Maltese cross-shaped shield 8 made of 0.2 mm copper sheet, which is blackened on the inside with a pigment, and on which a thermocouple 9 is mounted, the output signal in connection with the Signal of the thermopile is used to determine the temperature of the measurement object. This shield covers the comparison soldering points against the radiation. The entire sensor is arranged in a cylindrical aluminum housing with a wall thickness of 2 mm, corresponding to the housing 1 in FIG. 1.

Der erfindungsgemäße Sensor kann physikalisch wie folgt erklärt werden:The sensor according to the invention can be physically as follows are explained:

Im stationären Zustand, d. h. im Falle gleicher Tempe­ raturverhältnisse TF im gesamten Bereich der Frontflä­ che des Sensors, ist das von den in Reihe geschalteten Thermosäulen 3 und 4 erzeugte Signal UO direkt der zwischen den nicht abgedeckten sensitiven Lötstellen 71 und dem zu messenden Objekt mit der Temperatur TO über­ tragenen Strahlungsmenge ϕO proportional, d. h. ent­ sprechend dem Strahlungsgesetz gilt (T in °K):In the stationary state, ie in the case of the same temperature conditions T F in the entire area of the front surface of the sensor, the signal U O generated by the series-connected thermopiles 3 and 4 is directly between the non-covered sensitive soldering points 71 and the object to be measured with the temperature T O transferred radiation quantity ϕ O proportional, ie according to the radiation law applies (T in ° K):

UO ∼ ϕO ∼ TO⁴ - TF⁴.U O ∼ ϕ O ∼ T O ⁴ - T F ⁴.

Hat jedoch der mit dem Fenster 2 in wärmeleitendem Kon­ takt befindliche Schild 8 eine Temperatur TS, die von der Temperatur TF der sensitiven Lötstellen abweicht, so hat dies einen Strahlungsübergang ϕS zwischen dem Schild und den unter dem Schild befindlichen Lötstellen 72 zur Folge. Es gilt:However, if the shield 8 in heat-conducting contact with the window 2 has a temperature T S that deviates from the temperature T F of the sensitive solder joints, this results in a radiation transition ϕ S between the shield and the solder joints 72 located under the shield . The following applies:

ϕS ∼ TS⁴ - TF⁴.ϕ S ∼ T S ⁴ - T F ⁴.

Die dadurch verursachte Signalstörung US ∼ ϕS wird dem Signal UO aufgrund der gegenpolaren Reihenschaltung beider Thermoketten mit umgekehrtem Vorzeichen überla­ gert. Das verbleibende Signal beträgt:The signal disturbance U S ∼ ϕ S caused by this is superimposed on the signal U O due to the opposite polar connection in series of both thermal chains with the opposite sign. The remaining signal is:

U = UO - US bzw. U ∼ ϕO - ϕS.U = U O - U S or U ∼ ϕ O - ϕ S.

Daraus ergibt sichThis results in

U ∼ TO⁴ - TF⁴ - (TS⁴ - TF⁴) = TO⁴ - TS⁴.U ∼ T O ⁴ - T F ⁴ - (T S ⁴ - T F ⁴) = T O ⁴ - T S ⁴.

Hieraus ist ersichtlich, daß das Sensorsignal U hin­ sichtlich der aus diesem zu ermittelnden Objekttempera­ tur TO auf die Temperatur TS des Schildes zu beziehen ist. Voraussetzung ist allerdings ein Strahlungsüber­ gang entsprechend dem Strahlungsgesetz für den schwar­ zen Strahler.It can be seen from this that the sensor signal U is clearly related to the object temperature T O to be determined from this and the temperature T S of the sign. However, a prerequisite is a radiation transition in accordance with the radiation law for the black emitter.

Claims (4)

1. Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Tem­ peratur eines Meßobjektes, insbesondere unter Bedingun­ gen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innenraum eines Heißlufttrockners, einer Wärmebehandlungsanlage oder dergleichen, bestehend aus einem wärmeleitenden Gehäuse (1) mit einem im langwelligen Infrarotbereich strahlungsdurchlässigen Fenster (2), hinter dem gegen­ polar in Reihe geschaltete Thermosäulen (3, 4) liegen, deren Drahtelemente (5) aus gegenseitig thermoelektrisch aktiven Materialien bestehen, wobei die Drahtelemente (5) etwa achsparallel in einem etwa zylindrischen Körper (6) aus schlecht wärmeleitendem temperaturbeständigem Material symmetrisch zueinander angeordnet sind und die Lötstellen (7) auf der Grund­ fläche (61, 62) des Körpers liegen, wobei einige der hinter dem Fenster (2) liegenden Lötstellen (71, 72) durch einen strahlungsundurchlässigen Schild (8) abge­ deckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Fenster (2) ein Ther­ moelement (9) zur Erfassung der Eigentemperatur des Sensors am Schild (8) angeordnet ist (Fig. 1, 2).1. Sensor for radiation pyrometric measurement of the temperature of a test object, in particular under conditions of high ambient temperatures on the sensor in the interior of a hot air dryer, a heat treatment system or the like, consisting of a heat-conducting housing ( 1 ) with a window ( 2 ) which is transparent to radiation in the long-wave infrared range, behind the thermopoles ( 3 , 4 ) connected in series against polar, the wire elements ( 5 ) of which consist of mutually thermoelectrically active materials, the wire elements ( 5 ) being arranged approximately axially parallel in an approximately cylindrical body ( 6 ) made of poorly heat-conducting temperature-resistant material symmetrically to one another and the solder joints ( 7 ) lie on the base surface ( 61 , 62 ) of the body, some of the solder joints ( 71 , 72 ) lying behind the window ( 2 ) being covered by a radiation-opaque shield ( 8 ), characterized in that that at the window ( 2 ) A thermocouple ( 9 ) for detecting the intrinsic temperature of the sensor on the shield ( 8 ) is arranged ( Fig. 1, 2). 2. Sensor zur strahlungspyrometrischen Messung der Tem­ peratur eines Meßobjektes, insbesondere unter Bedingun­ gen hoher Umgebungstemperaturen am Sensor im Innenraum eines Heißlufttrockners, einer Wärmebehandlungsanlage oder dergleichen, bestehend aus einem wärmeleitenden Gehäuse (1) mit einem im langwelligen Infrarotbereich strahlungsdurchlässigen Fenster (2), hinter dem eine Thermosäule (3, 4) liegt, deren Drahtelemente (5) aus gegenseitig thermoelektrisch aktiven Materialien beste­ hen, wobei die Drahtelemente (5) etwa achsparallel in einem etwa zylindrischen Körper (6) aus schlecht wärme­ leitendem, temperaturbeständigem Material symmetrisch zueinander angeordnet sind und die Lötstellen (7) auf der Grundfläche des Körpers liegen, wobei einige der hinter dem Fenster (2) liegenden Lötstellen (7) durch einen strahlungsundurchlässigen Schild (8) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lötstellen (7) auf der dem Fenster (2) zugewandten Seite des Körpers (6) lie­ gen und die Drahtelemente (5) zwischen den Lötstellen (7) durch achsparallele Bohrungen über die dem Fenster (2) abgewandte Grundfläche des Körpers (6) geführt sind, und daß am Fenster (2) ein Thermoelement (9) zur Erfassung der Eigentemperatur des Sensors am Schild (8) angeordnet ist (Fig. 3, 4).2. Sensor for radiation pyrometric measurement of the temperature of a test object, in particular under conditions of high ambient temperatures on the sensor in the interior of a hot air dryer, a heat treatment system or the like, consisting of a heat-conducting housing ( 1 ) with a window ( 2 ) which is transparent to radiation in the long-wave infrared range, behind which is a thermopile ( 3 , 4 ) whose wire elements ( 5 ) consist of mutually thermoelectrically active materials, the wire elements ( 5 ) being arranged approximately axially parallel in an approximately cylindrical body ( 6 ) made of poorly heat-conducting, temperature-resistant material symmetrically to one another and the solder joints ( 7 ) lie on the base of the body, some of the solder joints ( 7 ) lying behind the window ( 2 ) being covered by a radiation-opaque shield ( 8 ), characterized in that all solder joints ( 7 ) are on the window ( 2 ) facing te of the body (6) lie gene and the wire elements (5) are guided between the solder joints (7) by means of axially parallel holes on the window (2) facing away from base surface of the body (6), and that the window (2) a thermocouple ( 9 ) is arranged to detect the intrinsic temperature of the sensor on the shield ( 8 ) ( Fig. 3, 4). 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild (8) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht und in gut wärmeleitender Verbindung mit dem Fenster (2) steht.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the shield ( 8 ) consists of a material of good thermal conductivity and is in good heat-conductive connection with the window ( 2 ). 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild (8) auf seiner Innenseite mit einem Pigment geschwärzt ist.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shield ( 8 ) is blackened on its inside with a pigment.
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