DE3313487C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Feststellen der Oberflächentemperatur eines Meßobjektes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, die Temperatur sich bewegender Metallfolien in der Weise zu messen, daß ein Temperaturfühler in einem Schutzgehäuse in der Nähe der Metallfolie angebracht wird, die Luft von der Folienoberfläche in das Schutzgehäuse abgesaugt wird und der Temperaturfühler ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Funktion der Temperatur der in das Gehäuse eintretenden Luft ist, die der Folientemperatur entspricht. Mit einer derartigen bekannten Vorrichtung soll das elektrische Signal einer nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Foliendickenmeßvorrichtung so aufgegeben werden, daß der Einfluß von Folientemperaturänderungen auf die Foliendickenmessung kompensiert wird. Das Gehäuse ist hierbei Teil eines ebenen Bauteiles, das in der Nähe und parallel zu der sich bewegenden Metallfolie angeordnet ist, so daß die gepumpte Luft in den schmalen Spalt zwischen Folie und ebenem Bauteil strömt. Bei noch kaltem Bauteil erreicht die in das Gehäuse eintretende Luft nicht die Folientemperatur, sondern wird von dem Bauteil etwas abgekühlt, wodurch die Lufttemperatur etwa das arithmetische Mittel zwischen Folientemperatur und Bauteiltemperatur ist. Ändert sich die Folientemperatur rasch, tritt eine gewisse Zeitverzögerung ein, bis das Temperaturabfühlelement folgt.

Gegenstand der DE-AS 21 03 048 ist ein Temperaturmesser, bei dem die Luft nicht angesaugt wird, sondern durch einen Kegel und in dessen Bodenplatte angeordnete Löcher in eine Hülse sowie anschließend durch einen sich konisch erweiternden Sammler gegen das Meßobjekt geblasen wird. Die durch die Löcher hindurchgeblasene Luft ergibt am oberen Ende des Rohres einen Saugeffekt, aufgrund dessen die Luft zirkuliert.

Ein Teil der Luft entweicht in die Atmosphäre und wird durch einzublasende Luft ersetzt. Zirkuliert die Luft, wird sie durch das Objekt erwärmt, gleichzeitig wird sie jedoch durch alle Teile gekühlt, mit denen die zirkulierende Luft in Kontakt kommt. Um den Kühleffekt der eingeblasenen Luft zu verringern, wird die Luft mit Hilfe eines Heizwiderstandes auf eine Temperatur erhitzt, die gleich der vom Thermometer an der Meßstelle gemessenen Temperatur ist. Die zirkulierende Luft wird durch das Objekt im Spalt erhitzt und anschließend abgekühlt. Die Temperatur der Luft wird auf den gleichen Wert wie die Temperatur des Objektes erhitzt, so daß die Ablesung des Thermometers der Objekttemperatur entspricht. Die Luft kann solange nicht die Temperatur des Objektes annehmen, bis nicht alle Teile, die in Kontakt mit der zirkulierenden Luft kommen, allmählich auf Objekttemperatur erhitzt sind. Ändert sich die Objekttemperatur, dauert es ziemlich lange, bis alle in Kontakt mit der zirkulierenden Luft stehenden Teile die geänderte Temperatur angenommen haben. Eine derartige Meßmethode ist somit zur Messung von schwankenden Temperaturen nicht geeignet. Da die allmähliche Aufheizung einem logarithmischen Gesetz folgt, erreichen die erhitzten Teile die Temperatur des Objektes genaugenommen nie. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Ablesung eines einzigen Thermometers verwendet, um die Objekttemperatur anzuzeigen. Die vorhandenen Thermoelemente dienen ausschließlich der Regelung des Heizwiderstandes und spielen für die Messungen der Objekttemperatur keine Rolle.

Des weiteren ist aus der GB-PS 6 93 306 eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur der Oberfläche sich bewegender Gegenstände bekannt, z. B. der Oberfläche einer Trommel. Hierbei ist eine mit Saugwirkung arbeitende Temperaturmeßvorrichtung der Trommel unmittelbar zugeordnet, deren Temperatur gemessen werden soll. Die Temperaturmeßvorrichtung weist einen Block mit einer darin angeordneten Saugleitung auf, deren eines Ende unmittelbar an der Trommel endet, während das andere Ende mit einer Vakuumpumpe oder dergl. verbunden ist. An dem der Trommeloberfläche zugewandten Ende der Leitung ist eine Aussparung vorgesehen, die ein temperaturempfindliches Element aufnimmt, z. B. die heiße Stelle eines Thermoelementes. Da der Abstand zwischen Block und Trommeloberfläche sehr gering ist, wird in diesem kleinen Spalt eine wesentlich höhere Luftgeschwindigkeit erzielt als in der Aussparung, so daß eine größere Luftmenge mit hoher Geschwindigkeit und im Wärmeaustausch zu den äußeren spiralförmigen Leitern fließt als im mittleren Bereich der Aussparung, in der die heiße Stelle der Meßvorrichtung angeordnet ist; die Luft, die die heiße Stelle erreicht, stammt direkt von der Oberfläche, deren Temperatur gemessen werden soll. An der Stelle höherer Luftgeschwindigkeit ist ein geringerer Druck vorhanden. Das große Volumen an Luft hoher Geschwindigkeit dient dazu, die wärmeableitende Umgebung des Thermoelementes mit den die heiße Stelle aufnehmenden Leitern auf eine Temperatur entsprechend der der Trommel zu erwärmen. Die heiße Stelle kann in den Bereich niedrigen Druckes und geringer Luftgeschwindigkeit eingebracht werden, weil nur eine geringe Wärme notwendig ist, um sie auf der gleichen Temperatur wie die Trommel zu halten. Dadurch, daß die Leiter auf etwa die Temperatur der Trommel aufgeheizt werden, werden Fehler bei der Temperaturmessung aufgrund des Wärmeverlustes durch Wärmeableitung längs der Leiter wie auch Strahlungsverluste von dem Thermoelement vermieden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Oberflächentemperatur von Meßobjekten in der Weise vorzunehmen, daß ein elektrisches Signal erzeugt wird, das eine Funktion der Oberflächentemperatur eines Meßobjektes beliebiger Gestalt ist, bei dem jedoch die in der Meßvorrichtung vorhandene Luft nicht erhitzt wird und die Temperatur dieser Luft auch nie auf die Temperatur des Meßobjektes gebracht wird; die hierfür verwendete Vorrichtung soll bei einfachem Aufbau einwandfreie und exakte Ergebnisse bei jeder Lufttemperatur ergeben.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzielung derartiger Messungen mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 2 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein durch einen schmalen Spalt zwischen zwei Oberflächen strömendes Fluid, z. B. Luft, eine Temperatur annimmt, die dem arithmetischen Mittelwert der Temperaturen der beiden Obeflächen entspricht. Wenn die Temperatur des Meßobjektes den Wert T _O , die Temperatur der Oberfläche des Formkörpers den Wert T _M und die Temperatur der eingesaugten Luft den Wert T _A hat, gilt

Mißt man die Temperatur T _A der Luft und die Temperatur T _M der gegenüberliegenden Obeflächen, und zieht man T _M von dem doppelten Wert T _A ab, wird die Temperatur T _O des Gegenstandes erhalten.

Eine derartige Messung ist bei jeder Lufttemperatur und jeder Temperatur des Meßobjektes exakt, so daß keine komplizierten und aufwendigen Vorrichtungen zum Vorheizen der Luft erforderlich sind. Die Messung kann mit hoher Geschwindigkeit erfolgen und ist deshalb besonders geeignet zur Messung sich rasch ändernder Temperaturen an Meßobjekten. Ferner ist diese Meßvorrichtung einfach unbillig herstellbar sowie im Betrieb wesentlich exakter und schneller als bisher bekannte, vergleichbare Vorrichtungen, wobei auch keinerlei Aufheizung der Luft erforderlich ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, angewendet auf ein ebenes Meßobjekt,

Fig. 2 eine weitere Ausführungform der Erfindung, angewendet auf ein zylindrisches Meßobjekt,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer elektronischen Schaltung nach der Erfindung, bei der ein Widerstandsthermometer mit positivem und ein Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet wird, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer elektronischen Schaltung nach der Erfindung, bei der zwei Widerstandsthermometer verwendet werden, die beide positive oder beide negative Temperaturkoeffizienten haben.

In Fig. 1 ist mit 1 das Meßobjekt, z. B. eine Aluminiumfolie, bezeichnet, die sich in Pfeilrichtung bewegt. Das Bauteil ist mit 2, das Schutzgehäuse mit 3, der erste Temperaturfühler, z. B. ein Platindrahtthermometer mit 4, der zweite Temperaturfühler mit 5, eine Pumpvorrichtung, die Luft von der Oberfläche des Meßobjektes über die Rohrleitung 7 pumpt, mit 6, eine elektronische Schaltung, die im einzelnen in Fig. 3 bzw. Fig. 4 dargestellt ist, mit 8, ein Heizelement, das die dem Meßobjekt zugewandte Oberfläche des Bauteiles beheizt, mit 9, Leiter, die den Strom nach 9 führen, mit 16, der Ausgang der elektronischen Schaltung 8, der das Meßobjekt-Temperatursignal darstellt, mit 10, und ein Gerät zur Anzeige der Meßobjekt-Temperatur mit 11 bezeichnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Oberfläche des Meßobjektes und des dem Meßobjekt zugewandten Bauteiles eben, wobei in der Betriebsstellung die Oberfläche des Bauteiles im wesentlichen parallel zum Meßobjekt verläuft. Die Oberfläche des Bauteiles kann jedoch auch leicht gekrümmt sein, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt, wobei der Abstand zwischen Bauteil und Meßobjekt im Bereich der Mitte kleiner ist als im Randbereich. Die Luft strömt im Randbereich langsamer als im mittleren Bereich. Das Heizelement ist wahlweise eingeschaltet und wird nur verwendet, wenn eine besonders hohe Meßgenauigkeit erzielt werden soll. Ebenso ist das Temperaturanzeigegerät 11 nicht unbedingt erforderlich. Im Betrieb strömt Luft in den Spalt zwischen 1 und 2 ein und nimmt eine Temperatur zwischen der Temperatur des Meßobjektes 1 und des Bauteiles 2 an. Der erste Temperaturfühler 4 stellt die Temperatur der Luft, der zweite Temperaturfühler 5 die Temperatur des Bauteiles fest. Die elektronische Schaltung 8 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Funktion der Temperatur des Meßobjektes 1 unbeeinflußt von der Temperatur des Bauteiles 2 ist.

In Fig. 2 ist ein Teil des Meßobjektes, z. B. eine zylindrische, rotierende Welle mit 1′, das Bauteil mit 2′ bezeichnet, das eine zylindrische Oberfläche aufweisen kann, die in der Betriebsstellung konzentrisch mit der Welle 1′ angeordnet ist oder auch geringfügig exzentrisch angeordnet sein kann, wobei der Abstand in der Nähe der Mitte kleiner ist als am Rand. Die Bezugszeichen 3 bis 11 bezeichnen die gleichen Teile wie in Fig. 1.

In den Fig. 3 und 4 sind Einzelheiten einer Ausführungsform des Blockschaltbildes der Schaltung dargestellt. In Fig. 3 ist ein Widerstandsthermometer, z. B. ein Platindraht, mit einem positiven Temperaturkoeffizienten mit 4, ein Thermistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten mit 5, ein Widerstand mit 18, ein Signalverstärker mit 12, ein Differenziergerät mit 17, ein Summierverstärker mit 15, der Ausgang mit 10, und ein Temperaturanzeigegerät mit 11 bezeichnet. Diese Ausführungsform wird verwendet, wenn nur eine relativ geringe Meßgenauigkeit erforderlich ist.

Der Thermistor selbst hat eine nichtlineare Charakteristik; mit einem Widerstand, der parallel zum Thermistor geschaltet ist, kann jedoch eine angenähert lineare Charakteristik über einen weiten Temperaturbereich erzielt werden. Im Betrieb stellt die Strömungsmitteltemperatur im wesentlichen das arithmetische Mittel zwischen der Temperatur des Meßobjektes und der des Bauteiles dar; wenn die Temperatur des Strömungsmittels und die des Bauteiles gleich sind, muß die Strömungsmitteltemperatur gleich der Meßobjekt-Temperatur sein. Ist die Temperatur des Bauteiles niedriger als die Temperatur des Strömungsmittels, ist der Wert des Widerstandes 5 größer und der Kühleffekt des Bauteils auf der Strömungsmittel wird kompensiert. Der Ausgang am Signalverstärker 12 ist deshalb eine lineare Funktion der Temperatur des Meßobjektes und ist von der Temperatur des Bauteiles unbeeinflußt. Das Differenziergerät 17 erzeugt einen Ausgang proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Ausganges aus dem Verstärker 12; wird er dem Ausgang des Verstärkers 12 mit Hilfe des Summierverstärkers 15 hinzuaddiert, wird ein Ausgang 10 mit reduzierter Zeitkonstante erhalten. Ein Temperaturanzeigegerät ist mit 11 bezeichnet.

In Fig. 4 sind ein Temperaturfühler 4, der die Temperatur des Strömungsmittels, üblicherweise Luft, mißt, sowie ein Temperaturfühler 5, der die Temperatur des Bauteiles 2 mißt, vorgesehen; beide Temperaturfühler haben einen positiven Temperaturkoeffizienten. Mit 12 und 13 sind Signalverstärker, mit 14 ist ein Differenzverstärker, der die Energie für das Heizelement 9 liefert, mit 15 ein Summierverstärker, mit 16 ein Differenzverstärker und mit 17 ein Differenziergerät bezeichnet. Das Heizelement 9, der Differenzverstärker 14 und das Differenziergerät sind wahlweise vorgesehen. Wenn das Differenziergerät 17 nicht benötigt wird, wird der Summierverstärker 15 überflüssig. Mit 10 ist der Ausgang und mit 11 das Temperaturanzeigegerät bezeichnet.

Die Arbeitsweise der Schaltung läßt sich am besten anhand eines Zahlenbeispieles wie folgt erläutern: Es sei angenommen, daß die Temperatur des Meßobjektes 100°C und die Temperatur des Bauteiles 60°C beträgt. Dann hat die Strömungsmitteltemperatur einen Wert von 80°C. Wenn der Ausgang aus dem Verstärker 13 proportional dem doppelten Wert der Strömungsmitteltemperatur, d. h. 160°C, und der Ausgang aus dem Verstärker 12 proportional der Temperatur des Bauteiles, d. h. 60°C ist, sind ungeachtet des Summierverstärkers 15 die Eingänge in den Differenzverstärker 16 proportional 160°C und 60°C, und der Ausgang des Differenzverstärkers 16 ist proportional 160 - 60 = 100°C, d. h. die Temperatur des Meßobjektes ist unbeeinflußt von der Temperatur des Bauteiles.

Das Differenziergerät 17 erzeugt einen Ausgang proportional der Änderungsgeschwindigkeit der Strömungsmitteltemperatur und wird dem Ausgang aus dem Signalverstärker 13 hinzugefügt, um die Zeitkonstante der Messung zu verringern.

Wenn höchste Genauigkeit erforderlich ist, wird ein Heizelement 9 eingeschaltet, das das Bauteil auf Strömungsmitteltemperatur aufheizt; da die Strömungsmitteltemperatur das arithmetische Mittel zwischen der Temperatur des Meßobjektes und der des Bauteils ist, wird die Strömungsmitteltemperatur genau gleich der Temperatur des Meßobjektes. Der Differenzverstärker 14 ist in der Lage, einen Ausgang zu erzeugen, der eine Funktion der Differenz zwischen der Hälfte des Ausganges aus dem Verstärker 13 und des Ausganges aus dem Verstärker 12 ist, d. h. eine Funktion der Differenz zwischen den Temperaturen des Strömungsmittels und des Bauteils, und liefert Energie an das Heizelement 9, bis die Differenz Null wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum berührungsfreien Feststellen der Oberflächentemperatur eines Meßobjektes, bei dem mindestens ein Teil der Oberfläche eines Formkörpers, dessen Form etwa der Oberfläche des Meßobjektes entspricht, in unmittelbare Nähe der Oberfläche des Meßobjektes gebracht und dadurch ein Spalt zwischen den beiden Oberflächen ausgebildet wird, bei dem Fluid, vorzugsweise Luft, aus dem Spalt abgesaugt wird, die eine Temperatur angenommen hat, welche ein Mittelwert der Oberflächentemperatur des Meßobjektes und des Formkörpers ist, und bei dem die Temperatur des abgesaugten Fluids und die Oberflächentemperatur des Formkörpers mit Hilfe von Temperaturfühlern festgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß von einem ersten Temperaturfühler ein elektrisches Signal erzeugt wird, das im wesentlichen eine Funktion des doppelten Wertes der Temperatur des Fluids ist, daß in einem zweiten Temperaturfühler ein elektrisches Signal erzeugt wird, das im wesentlichen eine Funktion der Oberflächentemperatur des Formkörpers ist, und daß die beiden Signale so miteinander kombiniert werden, daß ein drittes Signal gebildet wird, das im wesentlichen eine Funktion der Differenz zwischen dem doppelten Wert der Temperatur des abgesaugten Fluids und der Temperatur des Bauteils ist, und das ein Maß für die Oberflächentemperatur des Gegenstandes ist.

2. Vorrichtung zum berührungsfreien Feststellen der Oberflächentemperatur eines Meßobjektes, mit einem Temperaturfühler, der in einem Schutzgehäuse angeordnet ist, einem Formkörper mit einer Oberfläche, die in ihrer Gestalt etwa konform mit der Oberfläche des Meßobjektes ist und die in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Meßobjektes so angeordnet ist, daß ein Spalt zwischen den Obeflächen entsteht, einer Öffnung im Formkörper, die der Oberfläche des Meßobjektes zugeordnet ist und die zum Schutzgehäuse führt, und mit einer Pumpvorrichtung zum Absaugen des umgebenen Fluids, vorzugsweise Luft, aus der Oberfläche des Meßobjektes in das Schutzgehäuse, wobei der Temperaturfühler die Temperatur des einströmenden Fluids annimmt und ein Fluidtemperatursignal erzeugt, gekennzeichnet durch
einen zweiten Temperaturfühler (5), der die Temperatur des Formkörpers (2) feststellt und ein Formkörpertemperatursignal erzeugt, und
eine Verstärkeranordnung (12, 13), die das Fluidtemperatursignal und das Formkörpertemperatursignal miteinander so kombinert, daß ein Meßobjekttemperatursignal erhalten wird, das eine Funktion der Differenz zwischen dem doppelten Wert der Fluidtemperatur und der Formkörpertemperatur und damit eine Funktion der Oberflächentemperatur des Meßobjektes (1) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekttemperatursignal eine Funktion der Differenz zwischen dem doppelten Wert der Fluidtemperatur und der Formkörpertemperatur ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Temperaturfühler (4, 5), vorzugsweise der Fluidtemperaturfühler, einen positiven Temperaturkoeffizienten und der andere Temperaturfühler einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, und daß die Temperaturfühler in Reihe mit einem Signalformungsverstärker (12, 13) und einem Verbinder geschaltet sind, um die Temperaturfühler mit dem Eingang des Signalformungsverstärkers zu verbinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Differenziereinrichtung (17) zur Erzeugung eines weiteren elektrischen Signales, das eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit des Ausganges des Signalformungsverstärkers ist, und eine Summiervorrichtung (15), die das weitere elektrische Signal und den Ausgang des Signalformungsverstärkers miteinander kombiniert, um ein Meßobjekt-Temperatursignal mit kleinerer Zeitkonstante zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei beide Temperaturfühler Temperaturkoeffizienten mit gleichem Vorzeichen, vorzugsweise beide positivem Vorzeichen, haben, gekennzeichnet durch mindestens einen Signalformungsverstärker und eine Verbindungsvorrichtung, die die Temperaturfühler mit mindestens einem der Signalformungsverstärker verbindet, um einen Ausgang zu erzeugen, der eine Funktion der Differenz zwischen dem dopptelten Wert der Temperatur des Fluids und der Temperatur des Formkörpers hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen ersten Signalformungsverstärker (12), eine Vorrichtung zum Verbinden eines der Temperaturfühler (4, 5) mit dem ersten Signalformungsverstärker (12), einen zweiten Signalformungsverstärker (13), und eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden des anderen Temperaturfühlers (5, 4) mit dem zweiten Signalformungsverstärker (13), wobei der erste Signalformungsverstärker (12) einen Ausgang etwa proportional dem doppelten Wert der Fluidtemperatur und der zweite Signalformungsverstärker (13) einen Ausgang etwa proportional der Formkörper-Temperatur besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Differenziereinrichtung (17) zur Erzielung eines weiteren elektrischen Signales, das eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit des Fluidtemperatursignales ist, und einen Summierverstärker (15), der das weitere elektrische Signal mit dem Fluidtemperatursignal verbindet, und einen Differenzverstärker, der den Ausgang des Summierverstärkers und das Formkörper-Temperatursignal miteinander kombiniert und ein Meßobjekt-Temperatursignal mit kleinerer Zeitkonstante ergibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizvorrichtung (9) zur Aufheizung mindestens des Teiles des Formkörpers (2), das in unmittelbarer Nähe des Meßobjektes (1) liegt, sowie eine Vorrichtung, die die der Heizvorrichtung (9) zugeführte Energie so steuert, daß die Formkörper-Temperatur gleich der Fluidtemperatur gehalten wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (11) zum Auslesen der Meßobjekt-Temperatur.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbelstrom-Dickenmeßvorrichtung mit dem Meßobjekt-Temperatursignal gespeist wird, derart, daß der Einfluß von Meßobjekt-Temperaturänderungen auf die Dickenmessung komprimiert wird.