СПОСОБ И УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА С НЕИЗВЕСТНОЙ СТЕПЕНЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR MOVING OBJECT WITH UNKNOWN DEGREE OF RADIATION NON-CONTACT TEMPERATURE DETERMINATION

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для бесконтактного измерения температуры движущегося объекта, уровень излучения которого неизвестен, и, в особенности, для бесконтактного измерения температуры металлического провода, транспортируемого вдоль его продольной оси.
Уровень техники
Провода, которые используются, например, в качестве проводников в электрических кабелях, имеют диаметр в интервале 0,1-100 мм. Для нанесения на них изоляционной оболочки они посредством надлежащего направляющего механизма транспортируются вдоль своей продольной оси, например, к экструзионным устройствам (экструдерам), где на них наносится изоляционная оболочка. Как во время экструзии, так и, например, для проведения предварительного нагрева, а затем отжига или отверждения, необходимо, чтобы движущиеся металлические провода имели заданную температуру. При производстве кабельных жил важным фактором является способность изоляции сцепляться с проводником. Для этого проводник нагревают непосредственно перед введением его в экструдер. В добавление к сказанному, когда изоляция выполнена из пеноматериала, очень важна постоянная температура проводника, причем в особенности для линий передачи данных. В связи с этим возникает потребность измерять температуру таких движущихся объектов и, в случае необходимости, регулировать ее с выведением в заданную точку.
Бесконтактные измерения температуры выполняют, используя так называемые пирометры, обеспечивающие возможность детектировать тепловое излучение, испускаемое объектом, температуру которого измеряют (далее - измеряемый объект). Известные пирометры выполняют свою функцию, в частности, в инфракрасном диапазоне длин волн, таком как 2-15 мкм. Как известно, тепловое излучение определяют, используя три параметра согласно следующему уравнению:
где е, r и t означают, соответственно, уровни излучения, отражения и пропускания. Для измеряемых объектов, рассматриваемых в данном случае, можно допустить, что в инфракрасном измерительном диапазоне уровень пропускания для металлов, по существу, равен нулю. Тогда приведенное выше уравнение (1) можно упростить следующим образом:
В случае идеального излучателя в виде абсолютно черного тела (далее - черный излучатель) нулю равен также уровень отражения, т.е. е=1. У реальных объектов, таких как металлические провода, уровень r отражения (отражательная способность) обычно гораздо выше уровня е излучения (излучательной способности). В добавление к этому, уровень излучения изменяется в зависимости от таких факторов, как качество поверхности или температура, и поэтому на практике для измеряемого движущегося объекта часто неизвестен.
Известны способы, позволяющие бесконтактно измерить температуру объектов, у которых уровень е излучения неизвестен. В случае наружного облучения измеряемого объекта излучение, уровень е которого в уравнении е+r=1 меньше 1, дополняется внешним излучением. Конкретно, тепловое излучение, направленное на измеряемый объект от внешнего источника, отражается объектом в соответствии с его коэффициентом отражения r, так что теряемая объектом часть теплового излучения в большей или меньшей степени "дополняется" до 1 внешним излучением. На этой основе бесконтактные датчики температуры в радиационных пирометрах могут быть откалиброваны для воспроизведения измеренных значений температуры, например, в градусах Цельсия.
Такой способ, использующий внешнее излучение, известен, в частности, из DE 69103207 Т2. Согласно данному опубликованному способу в рабочей камере проводят измерения для неподвижной тонкой пластины с большой поверхностью. Однако при бесконтактном измерении температуры маленьких объектов, таких как тонкие металлические провода, возникают проблемы, связанные с ориентацией датчика температуры относительно измеряемого объекта, причем, в особенности, если данный объект не зафиксирован, а, наоборот, перемещается. В частности, следствием такого перемещения может оказаться частичное или полное смещение измеряемого объекта из измерительного поля датчика температуры, что в обоих случаях приведет к неправильным результатам измерения. Сказанное справедливо также и тогда, когда движущийся объект оказывается вне плоскости, на которую сфокусирован бесконтактный датчик температуры, так что размер измерительной зоны может стать больше измеряемого объекта. В US 4409042 А описан способ бесконтактного измерения температуры медного провода, движущегося вдоль своей продольной оси и направляемого через параболический отражательный блок. Данный блок имеет поверхности с высоким коэффициентом отражения и отражает излучение в свою фокальную точку или, соответственно, на свою фокальную ось. На эту точку или на точку, лежащую на фокальной оси, сфокусирован инфракрасный детектор. Так можно провести надежное измерение температуры даже в случае вибрации движущихся медных проводов. Однако данный способ слишком сложен, и, кроме того, практика показала, что такое измерение температуры не всегда обеспечивает необходимую точность.
Раскрытие изобретения
С учетом рассмотренного уровня техники задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке способа и устройства описанного типа, с помощью которых в любом случае обеспечивается возможность проведения надежного бесконтактного измерения температуры движущихся объектов, даже если они имеют маленькие диаметры.
Данная задача решена посредством изобретений, охарактеризованных в независимых пунктах прилагаемой формулы. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы, в описании и на чертежах.
В одном своем аспекте задача, поставленная перед изобретением, решается посредством способа, с помощью которого бесконтактным образом определяют температуру движущегося объекта с неизвестным уровнем излучения, в особенности температуру металлического провода, транспортируемого вдоль его продольной оси. Предлагаемый способ включает следующие операции:
- направляют объект через по меньшей мере один источник, испускающий тепловое излучение и полностью или частично охватывающий в поперечном сечении (далее - охватывающий) данный объект;
- используя по меньшей мере один детектор излучения, в зоне, по которой проходит объект, направляемый через данный источник, проводят, с пространственным разрешением, измерение теплового излучения;
- на основе измерения, с пространственным разрешением, теплового излучения определяют температуру движущегося объекта.
В другом своем аспекте задача, поставленная перед изобретением, решается посредством устройства для бесконтактного определения температуры движущегося объекта, уровень излучения которого неизвестен, в особенности, температуры металлического провода, транспортируемого вдоль его продольной оси. Предлагаемое устройство содержит:
- по меньшей мере один источник, способный испускать тепловое излучение,
- направляющий механизм, посредством которого движущийся объект может быть направлен через данный по меньшей мере один источник излучения, причем источником излучения объект, в сечении, охватывается в большей своей части или полностью,
- по меньшей мере один детектор излучения, выполненный с возможностью проводить, с пространственным разрешением, измерение теплового излучения в зоне, по которой проходит объект, направляемый через источник излучения, и
- оценочную аппаратуру, выполненную с возможностью на основе измерения, с пространственным разрешением, теплового излучения определять температуру движущегося объекта.
Способ и, соответственно, устройство согласно изобретению предназначены, например, для определения (т.е. измерения) температуры движущегося металлического провода. Как разъяснялось выше, такой провод может представлять собой, например, электрический проводник кабеля. Соответственно, он может быть выполнен, в частности, из меди или из другого подобного материала. Эти металлические провода транспортируются, например, вдоль своей продольной оси и направляются для прохождения через экструдер, где на провод посредством экструзии наносится изоляционная пластиковая оболочка. Как уже упоминалось, важными факторами являются измерение температуры таких движущихся объектов и, если это необходимо, регулировка измеряемой температуры с выведением ее в заданную точку. Уровень излучения объектов, температура которых измеряется согласно изобретению, неизвестен. В любом случае он меньше 1, поскольку в данном случае объект не является черным излучателем. В частности, у медного провода этот уровень существенно меньше 0,1. Поскольку уровень пропускания для таких металлов, как медь, по меньшей мере в инфракрасном измерительном диапазоне близок к нулю, уровень отражения оказывается очень высоким.
Согласно изобретению измеряемое тепловое излучение, отраженное движущимся измеряемым объектом, испускается по меньшей мере одним наружным источником. Данный источник может нагреваться посредством соответствующего нагревателя и испускать специфическое калибруемое тепловое излучение, зависящее от температуры источника. Движущийся объект направляют через источник излучения, во время прохождения объекта охватывающий его по меньшей мере в большей его части, а предпочтительно - почти полностью. Конечно, в любой момент только какой-то участок объекта, например движущегося металлического провода, направляемого через источник излучения, будет в большей его части или полностью охвачен этим источником. В данном контексте термин "в большей его части" означает, что источником излучения охвачена основная часть поверхности. Положение щели, через которую в выбранном месте периметра вводят провод, для выполнения оптической функции несущественно. Движущийся объект испускает тепловое излучение в инфракрасном диапазоне, зависящем от температуры объекта, которую предстоит определить. В добавление к этому, объект отражает тепловое излучение, испускаемое источником излучения. В приведенном выше уравнении 2 отраженный компонент известным образом "дополняется" до единицы за счет теплового излучения, испускаемого данным источником, который выполняет функцию компенсирующего средства.
Упомянутый по меньшей мере один детектор, которым в предпочтительном варианте может быть пирометр, детектирует все тепловое излучение, т.е., во-первых, тепловое излучение, испускаемое по меньшей мере одним источником излучения (а также отраженное излучение, поскольку данный излучатель не является абсолютно черным), а, во-вторых, - тепловое излучение, испускаемое и отражаемое движущимся объектом. Соответственно, согласно изобретению даже для движущихся объектов, имеющих маленькие размеры, создается четко заданное и калибруемое окружение, в котором измерение температуры, кроме того, возможно даже в том случае, когда не известен уровень излучения.
При этом измерение теплового излучения согласно изобретению происходит бесконтактно и с пространственным разрешением. Для проведения измерения с пространственным разрешением зону, в которой ожидается появление измеряемого объекта, сканируют по меньшей мере одним детектором излучения. Измерение теплового излучения, выполняемое с пространственным разрешением, может быть проведено посредством по меньшей мере одного детектора инфракрасного излучения или с использованием другого подобного средства. Таким образом, в качестве по меньшей мере одного детектора может быть применен по меньшей мере один детектор инфракрасного излучения или другое подобное средство. Предусмотрена возможность проводить сканирование, в частности, перемещая, предпочтительно поворачивая, данный детектор. Кроме того, предусмотрена возможность проведения, с пространственным разрешением, измерения теплового излучения посредством соответствующего детектора, обладающего пространственным разрешением и представляющего собой, в частности, термографическую камеру. Детектором, детектирующим, с пространственным разрешением, излучение, может быть также, например, однокоординатный (линейный) датчик или двухкоординатная матрица болометрических датчиков.
Температура источника излучения, которым охватывается измеряемый объект, известна, поскольку ее можно измерить. В ходе измерения с пространственным разрешением, использующего видеосигнал термовидеодатчика (линейного датчика или датчика изображения), измеряемый объект становится невидимым, если его температура соответствует температуре источника излучения, которым охватывается данный объект. В зависимости от того, меньше или больше температура измеряемого объекта по сравнению с температурой излучающего источника, охватывающего данный объект, изменяющиеся температуры в процессе измерения, с пространственным разрешением, теплового излучения соответствуют более низким или более высоким измерительным уровням. При определении температуры объектов в форме нити (таких как металлические провода), имеющих значительную протяженность в продольном направлении, можно быть уверенным в том, что они, по меньшей мере на какое-то время, окажутся в плоскости, соответствующей оптимальной резкости (в плоскости фокусировки детектора излучения). Таким образом, согласно изобретению можно точно и надежно определить бесконтактным образом температуру даже объектов с неизвестным уровнем излучения и маленькими диаметрами, конкретно, меньшими, чем измерительное поле детектора, которое, в частности, в случае термографической камеры задается размером зоны расположения пикселей и масштабом оптического изображения.
Предпочтительно выполнить по меньшей мере один источник излучения в виде абсолютно черного тела. Как известно, черный излучатель в идеальном варианте имеет уровень излучения, равный 1. В таком варианте выполнения черный излучатель может быть реализован в степени, которая практически осуществима и полезна. Известно, что хорошими имитаторами черного излучателя являются так называемые полые излучатели (далее - излучатели), внутренняя поверхность которых может быть снабжена черным покрытием. Соответственно, данный по меньшей мере один источник излучения может представлять собой полый излучатель, имеющий входное и выходное отверстия, через которые направляют объект при его прохождении через полость излучателя. Кроме того, данный излучатель имеет по меньшей мере одно измерительное отверстие, через которое производится измерение, с пространственным разрешением, теплового излучения. В предлагаемом варианте измеряемый объект направляют в полость излучателя через входное отверстие, а выводят наружу через выходное отверстие. При этом по меньшей мере одно измерительное отверстие желательно сформировать отдельно от входного и выходного отверстий. Данному излучателю можно придать, например, форму полого цилиндра. Тогда входное и выходное отверстия могут быть размещены на противоположных торцах этого полого цилиндрического излучателя, которые, за исключением этих отверстий, герметично закрыты. В собранной конструкции по меньшей мере одно измерительное отверстие обеспечивает детектору излучения необходимое поле зрения, захватывающее внутренний объем полости в зоне цилиндрической поверхности излучателя.
Согласно следующему варианту изобретения измерение теплового излучения, выполняемое с пространственным разрешением, может быть проведено через по меньшей мере одно измерительное отверстие в направлении, которое ориентировано под углом к продольной оси объекта, обычно соответствующей направлению его движения через излучатель. Этот угол может составлять, конкретно, 30°-60°. Направление измерения, в частности исходное направление измерения, задают, соответственно ориентируя детектор излучения, например термографическую камеру. Если используют систему фокусирующих линз, исходное направление измерения предпочтительно выбрать вдоль ее оптической оси. Когда детектор излучения, такой как термографическая камера, содержит двухкоординатную матрицу датчиков, исходное направление измерения обычно выбирают совпадающим с перпендикуляром, проходящим через центр плоскости, в которой расположена матрица датчиков. В тех случаях, когда по меньшей мере один детектор излучения поворачивают вокруг оси поворота, исходное направление измерения формируется линией, соединяющей эту ось и измерительное отверстие. Направление измерения может наклонено под острым углом к направлению движения объекта. Кроме того, предусмотрена возможность так сориентировать по меньшей мере один детектор излучения, такой как обладающая пространственным разрешением термографическая камера, чтобы измерение температуры, выполняемое с пространственным разрешением, происходило по меньшей мере поперек направления движения объекта. В дополнение к движущемуся измеряемому объекту, детектором излучения детектируется также источник излучения, выполненный в виде так называемого черного излучателя, охватывающего объект.
Благодаря наклонному ориентированию детектора излучения относительно направления движения объекта предотвращается нежелательное влияние измерительного отверстия излучателя на результаты измерений. Конкретно, измерительное отверстие, смещенное относительно реального измерительного участка в направлении движения объекта, фактически не искажает параметры полости, очень близко воспроизводящие свойства черного излучателя. Было показано, что в данном контексте особенно пригоден угловой интервал 30-60°, а конкретно - угол, равный примерно 45°. В добавление к этому, измеряемый объект надежно детектируется также при его горизонтальном или вертикальном отклонении относительно линии прямого визирования детектора излучения до тех пор, пока объект находится в поле зрения детектора, такого как термографическая камера. Кроме измеряемого объекта, такая камера детектирует, как фон, излучение излучателя, которым в это время облучается данный объект, что неизбежно создает необходимый вклад в отражение r=1-е. В данном варианте измеряемый объект также становится невидимым, когда его температура совпадает с температурой излучателя. Независимо от горизонтального или вертикального смещения измеряемого объекта от средней оси, например, термографической камеры, при котором он проходит через поле зрения данной камеры, объект, продолжая свое движение, по меньшей мере в течение какого-то времени всегда детектируется в плоскости, соответствующей оптимальной резкости изображения (в плоскости фокусировки).
Согласно следующему варианту изобретения температура движущегося объекта может быть определена путем оценки разности между измеренным тепловым излучением, испускаемым и, возможно, отражаемым по меньшей мере одним источником излучения, и измеренным тепловым излучением, испускаемым и отражаемым движущимся объектом. При этом предусмотрена возможность измерять эту разность как в пространстве, так и во времени. Когда имеет место перепад температур между объектом и охватывающим его источником излучения, измерение температуры, проведенное с пространственным разрешением, приводит к отклонению измеренной интенсивности в зоне измеряемого объекта. Это отклонение (положительное или отрицательное) относительно также измеренной интенсивности теплового излучения источника можно оценить при наличии пространственного разрешения. Например, можно оценить разность между максимумом и минимумом на графике, полученном в процессе измерения интенсивности, проведенного с пространственным разрешением. На основании полученных данных можно определить температуру измеряемого объекта, если известна температура источника излучения. Например, имеется возможность, непрерывно определять среднюю интенсивность по измеряемой зоне, отслеживая ее изменения во времени, и обнаруживать изменение этого усредненного параметра, когда измеряемый объект поступает в измерительное поле. Например, если это отклонение среднего значения равно нулю, измеряемый объект и охватывающий его источник излучения имеют одинаковую температуру.
Согласно следующему варианту детектор излучения, предназначенный для проведения измерения, с пространственным разрешением, теплового излучения, может быть направлен в сторону излучателя (конкретно, в сторону участка его наружной поверхности, примыкающего к измерительному отверстию). Тепловое излучение, испускаемое и, возможно, отражаемое этим участком поверхности излучателя, используют для получения указанной разности. Данный способ гарантирует, что для формирования разности на основе теплового излучения, испускаемого и отражаемого движущимся объектом, действительно используется только тепловое излучение, испускаемое и, возможно, отражаемое излучателем, но не тепловое излучение, случайно поступившее от движущегося объекта. Вследствие вибраций точная позиция быстро движущихся объектов, таких как электрические проводники, перемещающиеся, например, со скоростью более 20 м/с, неизвестна с достаточной точностью.
Согласно еще одному варианту детектор излучения, выполняющий измерение с пространственным разрешением, может через измерительное отверстие детектировать первую зону, в которой движущийся объект относительно своего направления движения находится под данным отверстием, а также вторую зону, в которой он, при его рассматривании в направлении, перпендикулярном направлению движения объекта, смещен относительно данного отверстия. Тогда появляется возможность детектировать также позицию движущегося объекта, используя значения, измеренные в первой зоне, и на их основании вывести заключение о его позиции во второй зоне, причем для получения разности используют тепловое излучение, испускаемое/отражаемое движущимся объектом и измеренное в позиции второй зоны. В зоне, где движущийся объект, при его рассматривании в направлении, перпендикулярном направлению движения объекта, находится под измерительным отверстием, он не облучается тепловым излучением указанного по меньшей мере одного излучателя. Таким образом, в этой зоне объект воспринимается детектором излучения как значительно более холодный и в ходе измерения с пространственным разрешением очень легко идентифицируется на фоне своего окружения. Это позволяет строго определить позицию для быстро движущихся объектов, положение которых известно с недостаточной точностью. Зная эту позицию, можно для второй зоны вывести надежное заключение об измерительном участке, в котором должен находиться объект. Далее именно этот участок учитывается при получении разности.
Кроме того, как было разъяснено выше, посредством дополнительного датчика может быть измерена температура по меньшей мере одного источника излучения. Предусмотрена также возможность ее регулировки посредством данного дополнительного датчика с выведением температуры в заданную точку. Знать эту температуру особенно важно для определения абсолютной температуры измеряемого объекта, причем в особенности при получении указанной разности. Можно также отрегулировать этот по меньшей мере один источник излучения в соответствии с температурой, выбранной для движущегося измеряемого объекта. Тогда, например, если измерение указывает на отклонение температуры объекта от температуры источника излучения и, таким образом, от заданной (целевой) температуры, может быть получен соответствующий сигнал. На его основе температура движущегося объекта может быть отрегулирована посредством подходящей регулировочной аппаратуры, в частности, с выведением этой температуры в ту же заданную точку.
Кроме того, предусмотрена возможность изменять температуру по меньшей мере одного источника излучения, используя для этого пригодный нагреватель, который остается включенным до тех пор, пока не приблизится как можно ближе к нулю разность между измеряемым тепловым излучением, испускаемым и, возможно, отражаемым по меньшей мере одним источником излучения, и измеряемым тепловым излучением, испускаемым и отражаемым движущимся объектом. В таком варианте сигнал, соответствующий интенсивности и измеренный с пространственным разрешением, постоянен во всей детектируемой зоне. В частности, он не проявляет какого-либо существенного отклонения в зоне движущегося объекта. При этом температура по меньшей мере одного источника излучения может быть измерена датчиком температуры. Далее, поскольку сигнал, соответствующий интенсивности, постоянен, по измеренной температуре источника излучения можно получить температуру движущегося объекта.
В общем случае измерять температуры может термографическая камера при условии, что уровень излучения известен. В частности, для так называемых черных тел он составляет примерно 1. Термографическая камера, предусмотренная согласно изобретению, могла бы также, например, измерять, а возможно, и регулировать температуру теплового излучателя. Однако на практике абсолютно черные тела могут ухудшаться, например, под воздействием влаги, загрязнения или истирания рабочей поверхности, в результате чего температура, детектированная термографической камерой, будет меньше реальной. Кроме того, фактически те же ошибки измерения вызывает загрязнение линз такой камеры. Поэтому целесообразно регулировать источник излучения, используя датчик температуры. Когда источник излучения загрязнен, для детектирования отклонений его температуры может быть использован также детектор излучения, корректирующий детектирование измеренных значений, а также формирующий сообщение об ошибке в случае слишком большого отклонения.
Согласно следующему варианту изобретения по разности между измеренным тепловым излучением, испускаемым по меньшей мере одним источником, и измеренным тепловым излучением, испускаемым и отражаемым движущимся объектом, может быть определен размер (в особенности диаметр) движущегося объекта. Возможность определения размеров движущегося объекта и, в особенности, определения диаметра металлического провода обеспечивается выполняемым с пространственным разрешением измерением согласно изобретению при условии наличия разности температур между источником излучения и объектом, движущимся через данный источник. Чтобы определить такой размер, в частности диаметр, выполняют, с пространственным разрешением, измерение интенсивности теплового излучения. Для проведения такого измерения предусмотрена возможность целенаправленной регулировки разности температур измеряемого объекта и по меньшей мере одного источника излучения.
Согласно следующему варианту по меньшей мере один источник излучения может представлять собой кожух, нагреваемый источником тепла. Данный кожух окружает колесо, на рабочей поверхности которого выполнена канавка для введения в нее движущегося объекта. Колесо может быть установлено с возможностью вращения, причем в возможном варианте это вращение осуществляется с помощью надлежащего приводного механизма. Посредством источника тепла колесо может быть нагрето до заданной температуры, причем, если это потребуется, температура может регулироваться с приведением к заданному значению. Данный вариант особенно предпочтителен в случае сильно вибрирующих объектов, таких как тонкие металлические провода. Канавка стабилизирует позицию объекта относительно его расстояния от датчика температуры, что, в свою очередь, способствует точному определению температуры. В то же время при достаточной глубине канавки по меньшей мере основная часть движущегося объекта может быть охвачена источником излучения, чем создается окружающая среда для измерения, отвечающая условиям изобретения.
Глубина канавки может быть в два, а в возможном варианте по меньшей мере в три или по меньшей мере в четыре раза больше ее ширины. В тех вариантах, когда глубина канавки неравномерна, например, в случае V- или U-образного поперечного сечения канавки, используют значение ширины, усредненное по всей глубине канавки. Кроме того, для очень близкого воспроизведения черного излучателя предусмотрена возможность нанести на рабочую поверхность и на канавку черное покрытие. Измерение с пространственным разрешением можно проводить по меньшей мере поперек направления движения объекта. По меньшей мере один детектор излучения перемещают или ориентируют так, чтобы, например, однокоординатная линейка его датчиков была перпендикулярна направлению движения объекта. Возможную потерю части теплового излучения, поступающей от обращенной наружу поверхности провода, которая не охвачена канавкой, можно скомпенсировать, используя дополнительный источник излучения, установленный вне колеса. Для этого рабочую поверхность и канавку можно по меньшей мере частично накрыть этим источником излучения, желательно имеющим U-образное поперечное сечение. Данный дополнительный излучатель, воспроизводящий черный излучатель настолько, насколько это возможно, может в виде кожуха покрывать рабочую поверхность колеса вместе с ее канавкой, а также введенный в нее движущийся объект, такой как металлический провод. Такая конструкция дополнительно улучшает экранирование движущегося объекта и, кроме того, создает заданное и надежное окружение, требуемое для проведения измерения. Кроме того, при использовании этого варианта измерение можно проводить вдоль исходного измерительного направления, наклонного по отношению к направлению движения измеряемого объекта.
На основании детектированной температуры движущегося объекта его температура может быть отрегулирована с выведением в заданную точку. С помощью датчика температуры или дополнительного бесконтактного датчика температуры, прикрепленного сбоку, можно, кроме того, точно измерить и отрегулировать температуру источника излучения, такого как нагретый диск, и, в особенности, температуру рабочей поверхности (температуру канавки) в этом положении.
Предлагаемое устройство пригодно для осуществления способа согласно изобретению. Другими словами, предлагаемый способ может быть осуществлен посредством устройства, выполненного согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Далее характерные варианты осуществления изобретения будут разъяснены более подробно, со ссылками на схематично выполненные чертежи, где
на фиг. 1 представлено устройство согласно изобретению, предназначенное для реализации способа согласно изобретению и выполненное в соответствии с первым вариантом, приводимым в качестве примера,
на фиг. 2 представлено, в сечении, устройство согласно изобретению, предназначенное для реализации способа согласно изобретению и выполненное в соответствии со вторым вариантом,
на фиг. 3 устройство по фиг. 2 представлено в другом сечении,
на фиг. 4а-4с представлены примеры графика, который может быть получен с использованием устройства согласно изобретению,
на фиг. 5 представлено, в сечении, устройство по фиг. 1, видоизмененное согласно другому варианту осуществления,
на фиг. 6 проиллюстрировано изображение результата измерения теплового излучения, который, с пространственным разрешением, получен посредством устройства по фиг. 5,
на фиг. 7 схематично поясняется сущность измерения, проиллюстрированного на фиг. 5.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично проиллюстрировано устройство согласно изобретению, предназначенное для бесконтактного измерения температуры движущегося объекта 10. В данном случае объект 10 представляет собой металлический провод, транспортируемый вдоль своей продольной оси, как это показано на чертеже стрелками (направление перемещения измеряемого объекта 10 несущественно). Предусмотрена возможность направить металлический провод 10, например, в экструдер, в котором посредством экструзии на провод наносят пластиковую изоляционную оболочку. Устройство по изобретению содержит источник 12 излучения, которым в данном случае является полый цилиндрический излучатель, очень близкий по своим параметрам к черному излучателю. Для этого на внутреннюю поверхность полости излучателя 12 наносят черное покрытие и выполняют в излучателе входное отверстие для введения металлического провода 10, расположенное на передней стороне (на фиг. 1 это правая сторона, в других своих частях герметично перекрытая), а также выходное отверстие для выведения провода 10, расположенное на стороне, противоположной передней стороне (в других своих частях тоже герметично перекрытой). В дополнение к этому, излучатель 12 в зоне своей боковой поверхности снабжен измерительным отверстием 14, через которое посредством детектора 16 излучения (в данном случае это термографическая камера 16, обеспечивающая пространственное разрешение) можно проводить измерения во внутреннем объеме полости излучателя 12. На чертеже показано также измерительное поле 18 центрального пикселя камеры 16 или, в другом варианте, центральное положение сканирующего датчика пирометра, а формирующая изображение система линз данной камеры 16 обозначена как 20. Исходное измерительное направление камеры 16 (показанное штриховой линией), которое в то же время является оптической осью данной системы линз, обозначено как 22. Это исходное направление 22 измерения в проиллюстрированном примере проходит под углом 45° по отношению к направлению движения металлического провода 10, совпадающему с продольной осью провода.
К полому излучателю 12 подсоединен датчик температуры, обозначенный как 24. Результаты измерений, полученные датчиком 24, по линии 26 связи передаются в оценивающую аппаратуру (например, в блок 28 оценки и управления) устройства. По линии 30 связи в блок 28 поступают также измеренные значения, полученные термографической камерой 16. Чтобы вывести температуру излучателя 12 на заданный уровень, можно через блок 28 по линиям 34, 36 связи задействовать нагреватель излучателя 12 (на чертеже не изображен), используя для этого полупроводниковое реле 32, оптоэлектронное реле или любой другой исполнительный механизм. Кроме того, устройство содержит дисплейный блок 38, который отображает температуру металлического провода 10, определенную термографической камерой 16, а также управляющий блок 40, посредством которого, чтобы точно детектировать температуру провода 10, можно, например, регулировать точку, заданную для температуры излучателя 12, используя для этого линии 42, 44 связи.
Как показано на фиг. 1, металлический провод 10 в процессе его перемещения направляют через полый излучатель 12, причем так, чтобы участок провода при проходе через излучатель 12 был фактически полностью охвачен излучателем. Термографическая камера 16 через измерительное отверстие 14 выполняет, с пространственным разрешением, измерение теплового излучения. При этом камера 16 ориентирована так, что провод 10 во время своего движения всегда остается в ее измерительном поле. Исходя из температуры излучателя 12, измеренной датчиком 24, можно бесконтактно определить температуру провода 10 анализом зарегистрированной, с пространственным разрешением, кривой интенсивности теплового излучения, причем даже в том случае, когда уровень е излучения провода 10 неизвестен. Конкретно, тепловое излучение, испускаемое излучателем 12, отражается проводом 10, компенсируя, тем самым, в соответствии с уравнением r=1-е, потерю количества излучения. Температуру провода 10 можно определить, например, исходя из описанного выше измерения разности. При измерении, проводимом термографической камерой 16 через измерительное отверстие 14, наклоном исходного измерительного направления 22 относительно продольной оси провода 10 обеспечивается настолько маленькое влияние данного отверстия на измерение, насколько это возможно, т.е. гарантируется очень близкое воспроизведение излучателем 12 свойств черного излучателя.
Кроме того, предусмотрена возможность вывести температуру излучателя 12 на уровень, выбранный для металлического провода 10. В этом случае сразу после того, как температура провода 10 отклонится от температуры излучателя 12 (что отображается на результатах измерения, проводимого с пространственным разрешением, как повышение или понижение интенсивности), можно посредством, например, дисплейного блока 38 выработать соответствующий сигнал. На этой основе нагревателем (на чертеже не изображен), посредством которого температура металлического провода 10 выводится на заданный уровень, можно управлять, в частности, с помощью управляющего блока 40 или, с тем же результатом, автоматически.
На фиг. 2 и 3 представлен второй вариант устройства согласно изобретению, причем фиг. 3 иллюстрирует фрагмент узла этого устройства в увеличенном масштабе. На фиг. 2 и 3 измеряемый объект (в данном случае опять-таки металлический провод) также обозначен как 10. Как и в предыдущем варианте, провод 10 транспортируют вдоль его продольной оси (на фиг. 2 слева направо). Однако, в отличие от варианта по фиг. 1, в данном случае провод 10 направляют в нужном направлении посредством колеса 48, нагретого не изображенным на чертеже источником тепла. Колесо 48 приводится во вращение, обозначенное на чертеже 2 стрелкой 50, и может быть соответственно снабжено приводом. Как и в предыдущем варианте, направление перемещения измеряемого объекта несущественно, т.е. направление, обозначенное на фиг. 2, указано только в качестве примера и может быть изменено на противоположное, при котором проводник вводят не слева, как на фиг. 2, а справа. Чтобы обеспечить нужное направление провода 10, на колесе 48, как показано на фиг. 3, выполнена канавка 52 с V-образным поперечным сечением, проходящая по рабочей поверхности 54 колеса. Данную канавку целесообразно использовать также, чтобы обеспечить огибание проводом 10 всего периметра колеса 48 по петлеобразной траектории. Предусмотрена возможность нанести на поверхность канавки 52 и, возможно, также на рабочую поверхность 54 черное покрытие, чтобы, как в предыдущем варианте, улучшить воспроизведение черного излучателя. Кроме того, как показано на фиг. 2 и 3, за нагретым колесом 48 (первым источником излучения) помещен дополнительный источник излучения, а именно источник 56 с U-образным поперечным сечением, который накрывает участок колеса 48, конкретно, канавку 52 (см. фиг. 3). Источник 56 также снабжен черным покрытием, тоже может нагреваться посредством нагревателя и должен быть, как и в предыдущем варианте, очень близок по своим параметрам к черному излучателю. Пример усредненной ширины канавки 52 обозначен как 58. В проиллюстрированном примере глубина канавки 52 (измеряемая, как видно из фиг. 3, от рабочей поверхности 54 вертикально вниз до нижней границы канавки) примерно в два раза больше усредненной ширины 58. Температура канавки 52, вмещающей в себя металлический провод 10 и направляющей его в нужном направлении, является ключевым параметром для точного измерения температуры данного провода.
На фиг. 2 показана также термографическая камера 16, обладающая пространственным разрешением. Измерительное поле данной камеры и формирующая изображение система линз обозначены соответственно как 18 и 20. Как и в предыдущем варианте, исходное направление 22 измерения ориентировано под углом к направлению движения металлического провода 10, проходя в измерительной зоне через измерительное отверстие 57, выполненное в дополнительном источнике 56 излучения. Кроме того, термографическая камера 16 может быть ориентирована так, чтобы измерение температуры, выполняемое с пространственным разрешением, происходило по меньшей мере поперек направления движения провода 10 (слева направо, как на фиг. 3, или наоборот). Предусмотрена возможность выполнить измерительное отверстие дополнительного источника 56 излучения так, чтобы термографическая камера 16 могла проводить измерение через данный источник 56. Тогда она получает возможность детектировать колесо 48 и, конкретно, рабочую поверхность 54 и канавку 52 вместе с заправленным в нее металлическим проводом 10.
Вариант осуществления согласно фиг. 2 и 3 особенно подходит для металлических проводов 10, которые во время движения сильно вибрируют. Он обеспечивает особо точное направление провода 10 в нужную сторону. Измерение температуры провода 10, а также ее оценка и, в возможном варианте, регулировка могут проводиться аналогично соответствующим процедурам, описанным выше в связи с фиг. 1.
На фиг. 4а приведен пример графика, который можно зарегистрировать устройством согласно изобретению, изображенным на фиг. 1 или на фиг. 2, 3. На графике интенсивность I, зарегистрированная термографической камерой 16, обладающей пространственным разрешением, представлена в зависимости от координаты х. Как можно видеть на фиг. 4а, измерение интенсивности производится в достаточно большой зоне. Конкретно, термографической камерой детектируется измеряемый металлический провод 10, а также излучатель 12 на обеих его сторонах, граничащих с проводом, охватывая его или, соответственно, нагретое колесо 48 с канавкой 52, охватывающей провод. В примере, приведенном на фиг. 4а, температура измеренного металлического провода 10 выше температуры охватывающего провод источника излучения, конкретно, выше температуры излучателя 12 или, соответственно, нагретого колеса 48 вместе с его канавкой 52. Измеренная интенсивность соответствующим образом оценивается примерно в середине зоны, детектируемой во время измерения, которое проводится с пространственным разрешением. Как показано на фиг. 4а, исходя из ширины 60 пика интенсивности, генерируемой проводом 10, можно определить диаметр данного провода.
График, представленный на фиг. 4b, подобен графику по фиг. 4а, однако, в этом случае металлический провод 10 имеет, по существу, ту же температуру, что и охватывающий его источник излучения, т.е. излучатель 12 или, соответственно, нагретое колесо 48 вместе с его канавкой 52. При этом, соответственно, интенсивность I, по существу, постоянна во всей измеренной зоне. Если, например, источник излучения, охватывающий провод, нагрет до выбранной температуры провода 10, представленный на фиг. 4b результат измерения означает, что температура провода равна этому выбранному значению. Детектируя отклонения интенсивности, обусловленные проводом 10, от интенсивности, по существу, постоянной во всей зоне, можно соответствующим образом отрегулировать температуру провода 10.
В свою очередь, фиг. 4с иллюстрирует график, подобный графикам по фиг. 4а и 4b, за исключением того, что в этом случае температура металлического провода 10 ниже температуры охватывающего его источника излучения, т.е. ниже температуры излучателя 12 или, соответственно, нагретого колеса 48 вместе с его канавкой 52. При этом соответствующим образом формируется минимум интенсивности, который является зеркальным по отношению к максимуму интенсивности, проиллюстрированному на фиг. 4а. Как показано на чертеже, по ширине 60 отклонения и в этом случае можно определить диаметр провода 10. Как было разъяснено выше, заключения о температуре провода 10 могут быть сделаны на основании высоты максимума на фиг. 4а или, соответственно, глубины минимума на фиг. 4с относительно базовой интенсивности, которую также измеряют.
В варианте изобретения, представленном на фиг. 5, формирующая изображение система 20 линз термографической камеры выполнена так, что при измерении теплового излучения с пространственным разрешением детектируется участок 62 наружной поверхности излучателя 12, не совпадающий с измерительным отверстием 14, причем данное измерение проводят в дополнение к измерению теплового излучения через отверстие 14. При этом при измерении теплового излучения, выполняемого с пространственным разрешением через измерительное отверстие 14, детектируется первая зона 64, в которой расположен провод 10, находящийся под отверстием 14, если смотреть перпендикулярно направлению происходящего справа налево движения провода (перпендикулярно его продольной оси). Кроме того, при этом же измерении детектируется вторая зона 66, в которой провод 10 смещен относительно отверстия 14 (если смотреть перпендикулярно направлению движения провода), но при этом полностью охвачен внутренней поверхностью излучателя 12.
При проведении оценки в данном случае оценивается разность между тепловым излучением, испускаемым и, возможно, отражаемым участком 62 излучателя 12, и тепловым излучением, испускаемым и отражаемым металлическим проводом 10 во второй зоне 66. Первую зону 64 используют для точного определения позиции провода 10 в измерительном поле термографической камеры 16. Разъяснение этой процедуры будет проведено со ссылками на фиг. 6, где первой зоне 64 соответствует левая часть распределения теплового излучения, а проводу 10 соответствует темное пятно 68 в первой зоне 64. Такое изображение провода объясняется тем, что в первой зоне 64 он не подвергается воздействию теплового излучения излучателя 12, поэтому в зоне измерительного отверстия 14 он выглядит темным, т.е. сравнительно холодным, участком термоизображения. На этой основе можно надежно определить позицию провода 10 в измерительном поле, которая на фиг. 6 может находиться в средней части чертежа, соответствующей второй зоне 66 на фиг. 5. В проиллюстрированном примере проводник находится в зоне, которая на фиг. 6 обозначена как 70. Значения теплового излучения, детектированные в этой зоне, используют для формирования разности между тепловым излучением, испускаемым и отражаемым проводом 10.
Сущность фиг. 6 схематично иллюстрируется фиг. 7. У позиции 68 на фиг. 7 видна часть проводника, которая расположена, если смотреть перпендикулярно направлению его движения, под измерительным отверстием и облучается в меньшей степени (на фиг. 5 эта позиция обозначена как 64). Правая часть фиг. 6 соответствует ситуации, в которой детектор (термографическая камера) направлен (направлена) в сторону наружной поверхности излучателя (см. позицию 62 на фиг. 5). На фиг. 7 эта позиция обозначена как 71.
Преимущество детектирования температуры наружной поверхности излучателя заключается в том, что эта поверхность в течение долгого периода времени остается свободной от загрязнения и царапин. Внутренняя поверхность излучателя подвергается воздействию совершенно разных нагрузок, связанных с рабочим процессом. Например, медными проводниками образуется медная пыль, частично оседающая на внутренней поверхности.