DEVICE FOR THE CONTACTLESS TEMPERATURE MEASUREMENT OF PARTLY TRANSPARENT MEDIA OVER VARYING LAYER THICKNESSES

Abstract: 1. Measuring arrangement for contactless measurement of the temperature of partially transparent media, such as glass, plastics or crystals, by means of a pyrometer, by which arrangement the radiation emitted from the object to be measured is determined with a photo-electric receiver having a filter arranged ahead thereof, characterized in that for measuring an arbitrarily predetermined layer depth d the filter only transmits a selected portion of the infrared spectral range around wavelength lambdas , for which the mean absorption constant of the medium to be measured is k(lambdas ) = 3/d.

Description: Anordnung zur berührungslosen Messung der Temperatur von teiltransparenten Medien in verschiedener Schichttiefe Die Erfindung betrifft eine neuartige Messanordnung zur schnellen, berührungslosen Messung der Temperatur von teiltransparenten Meiden, wie z.B. Glas, Kunststoff oder Kristalle mittels eines Pyrometers. Die von einem heissen Körper ausgesandte Strahlung ist eine Funktion seiner Temperatur und seines Emissionsvermögens. Man nutzt diese Tatsache technisch aus zur berührungslosen Temperaturmessung, indem man die Intensität der-vom Objekt ausgesandten Strahlung misst (Pyrometrie). Die Eichung erfolgt durch Vergleich mit der Strahlungsintensität, die ein schwarzer Körper aussendet. Das ist die oeffnung eines Ofens, dessen Inneres überall auf gleicher Temperatur ist. Die spektrale Intensitätsverteilung der von einer solchen Öffnung ausgesandten Strahlung ist durch das Plank'sche Strahlungsgesetz beschrieben. Ein Körper auf gleicher Temperatur wie ein schwarzer Körper emittiert im allgemeinen eine geringere Intensität als der schwarze Körper. Eine Ursache ist die Reflexion des Körpers. Eine zweite Ursache kann die unvollkommende Absorption sein. Gemäss dem Kirchhoff'schen Gesetz emittiert ein heisser Körper entsprechend seinem Absorptionsvermögen. Dies hat für transparente Medien wie Glas, Kunststoff und Kristalle zur Folge, dass man die pyrometrische Temperatur korrigieren muss. Diese Korrektur ist bei geringer Schichtdicke des Mediums sehr gross, wenn das Pyrometer in einem Spektralbereich arbeitet, in dem das Medium transparent ist. Andererseits ist es bei teiltransparenten Medien möglich, die Temperatur über verschiedene Schichttiefen zu messen dadurch, dass man den Arbetsspektralbe- reich für das Pyrometer passend wählt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine pyrometrische Messanordnung, mit der die Messung der Temperatur von teiltransparenten Medien über verschiedene Schichttiefen möglich ist. Dieses Ziel wird mit einer Messanordnung gemäss den Patentansprüchen erreicht. In der Zeichnung sind die Messanordnung (Figur 1), die spektrale Eindringtiefe eines Glases (Figur 3), sowie die spektrale Absorption eines Glases (Figur 2) wiedergegeben. In Figur 1 ist (1) das teiltransparente Medium, das die Wärmestrahlung aussendet. Mit einer Linse (2) wird die Strahlung auf einen Empfänger (4) konzentriert, der in einem grösseren Spektralbereich empfindlich ist. Das Signal des Empfängers wird mit dem Verstärker (5) verstärkt und mit dem Instrument (6) angezeigt. Zwischen der Linse und dem Empfänger ist ein Filter 3 eingesetzt, dessen Durch lässigkeitsbereich jeweils aufgrund der spektralen Transmission des zu messenden Mediums und der jeweils gewünschten Schichttiefe gewählt wird. Diese Auswahl wird im folgenden erläutert: Die Strahlungsintensität nimmt in einem absorbierenden Medium bekanntlich exponentiell mit der Schichtdicke ab gemäss EMI2.1 Dabei ist Io die Intensität der in das Medium eindringenden Strahlung und Id die Intensität nach Durchlaufen der Schichtdicke d. k ist die Absorptionskonstante. Ihr Kehrwert 1/k wird Eindringtiefe genannt. Nach Durchlaufen der Schicktdicke 1/k ist d:ie Intensität auf 0,37 der Anfangsintensität gesunken. Nach Durchlaufen einer Schicht, die gleich der zweifachen Eindringtie fe ist, beträgt die Intensität 0,14 der Anfangsintensität; nach Durchlaufen der dreifachen Eindringtiefe beträgt die Intensität 0,05 der Anfangsintensität. Wenn der Körper heiss ist, stammen 95 % der emittierten Strahlung aus einer Schicht mit der dreifachen Eindringtiefe. Bei dielektrischen Stoffen setzt die Absorption im mittelwelligen oder langwelligen infraroten Spektralbereich ein. Figur 2 zeigt als Beispiel für Absoprtion k (k) eines Glases im infraroten Spektralbereich. Dies dient als Grundlage für das erfindungsgemässe Verfahren. Man trägt die Grösse 1/k (h) gegen die Wellenlänge auf (Figur 3). Man will zum Beispiel die Temperatur einer Platte während des Ziehens aus der Wanne oder eines heissen Glastropfens bis in die Tiefe d messen. Dann sucht man in der Kurve in 1 d Figur 3 die Wellenlänge #s, bei der K = 3 ist. Diese Wellenlänge (oder ein Wel'enlängenbereich)für die diese Beziehung gilt, ist dann der für diese Messung geeignete Arbeitsbereich des Strahlungspyrometers. Der Tropfen sei z.B. 12 cm dick. Einmal soll die Temperatur in einer 1 cm tiefen Randzone des Tropfens gemessen werden, zum anderen soll ein Mittelwert über den Temperaturverlauf vom Tropfenrand bis zur Mitte ermittelt werden. Im ersten Fall wird ein Filter mit Durchlässigkeit bei 3,1 iim in das Pyrometer eingesetzt; denn bei dieser Wellenlänge beträgt die Eindringtiefe K = 0t33 cm bzw. die 3-fache Eindringdie tiefe 1 cm. Im zweiten Fall verwendet man ein Filter mit der Durchlässigkeit bei der Wellenlänge 2,6 ssm; denn bei dieser Wellenlänge beträgt die Eindringtiefe K = 2 cm bzw. die 3-fache Findringtiefe 6 cm, das ist der Radius des Tropfens. Um die Temperatur in verschiedenen Tiefen des Objektes möglichst schnell zu erfassen, kann man die Filter für die Messung in den verschiedenen Tiefen mit einer automatischen Vorrichtung wechseln. Oder man verwendet zwei oder mehrere Messinstrumente mit verschiedenen Filtern. Schliesslich kann man die nach der beschriebenen Methode ermittelten Filter auch in einer Wärmebildkamera verwenden, so dass damit die flächenhafte Temperaturverteilung eines teiltransparenten Objektes in der jeweils gewählten Schichtdicke d. bestimmt werden kann.

Claims: Patentansprüche: 1. Messanordnung zum berührungslosen Messen der Temperatur von teiltransparenten Medien, wie z.B. Glas, Kunststoff oder Kristallen mittels eines Pyrometers, bei welchem die von dem zu messenden Objekt ausgehende Strahlung mit einem photoelektrischen Empfänger bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung über eine beliebig vorzugebende Schichttiefe d ein Filter vor diesen photoelektrischen Empfänger geschaltet wird, welches nur einen ausgewählten Teil um die Wellenlänget5des infraroten Spektralbereiches durchlässt, für den die mittlere Absorptionskonstante s d 3 beträgt. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Temperaturverteilung ein Pyrometer mit auswechselbaren Filtern verwendet wird, welche jeweils nur einen ausgewählten SpektralbereichASdurchlassen, für den gilt EMI5.1 wobei d. die verschiedenen Schichttiefen sind, über die die Temperatur jeweils ermittelt werden soll. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pyrometer verwendet werden mit Filtern, die an verschiedenen Stellen des infraroten Spektralbereiches so durchlässig sind, dass die Absoprtionskonstante des zu messenden Objektes die Bedingung erfüllt EMI5.2 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der flächenhaften Temperaturverteilung diese Filter in einer Wärmebildkamera verwendet werden.

Inventors: HASPEL, RAINER, NEUROTH, NORBERT
Applicants: SCHOTT GLASWERKE
Application year: 1980
Main classification: G01J5
IPC codes: G01J5