| JP2003270047 | INFRARED SENSOR |
| JP2000298063 | INFRARED RAY DETECTOR |
DIENZ MICHAEL (DE)
BAER KAIT K O (DE)
GAUS RAINER (DE)
DIENZ MICHAEL (DE)
BAER KAIT K O (DE)
G.J. FULLIN E.A.: "A CENTRALIZED TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR DIFFUSION FURNACES", SOLID STATE TECHNOLOGY, November 1972 (1972-11-01), pages 40 - 43
E. SCHRECK E.A.: "CALIBRATION OF MICRON-SIZE THERMOCOUPLES FOR MEASUREMENTS OF SURFACE TEMPERATURES", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol. 64, no. 1, January 1993 (1993-01-01), NEW YORK US, pages 218 - 220
| 1. | Verfahren zur Kalibrierung von Thermoelementen im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 2800°C, mit einem bevorzugten Arbeitsbereich von ca. 700 1800°C, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte: Die von einer modulierten Lichtquelle (1) erzeugte Strahlung wird nach Erzeugen eines parallelen Strahlen gangs mittels eines parabolischen Reflektors (3) durch ein Linsensystem (4) auf die Spitze (6) eines Thermo¬ elementes (7) fokussiert. Die Emissivitat und die Temperatur der Spitze (6) des Thermoelementes (7) werden mittels der Pyrometer (8) und (9) über je ein Linsensystem (10) gemessen. In einer Datenverarbeitungsanlage (11) wird die mittels der Pyrometer (8) und (9) ermittelte Emissivitat und Temperatur der Spitze (6) verglichen mit der Meßtempe¬ ratur des Thermoelementes (7) . (Figur 1) . |
| 2. | Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übliche Kalibrierbereich ca. 700 <T< 1800°C beträgt und daß Kalibrierspitzentemperaturen von ca. 2800°C realisierbar sind. |
| 3. | Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch andere Auswahl der Pyrometeraufnehmer (8) und (9) niedrigere Kalibrierbereiche einstellbar sind. |
| 4. | Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Lichtquelle (1) stufenlos einstellbar ist. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung des durch den Reflektor (3) erzeugten parallelen Strahlengangs anstelle des Linsensystems (4) durch einen Parabolreflektor (5) erfolgt. (Figur 2) . Vorrichtung zur Kalibrierung von Thermoelementen im Hochtemperaturbereich von ca. 700 1800°C, gekennzeich¬ net durch die Kombination folgender Elemente: Als Wärmequelle wird eine Lichtquelle (1) eingesetzt. Zur Erzeugung eines parallelen Strahlengangs ist ein Reflektor (3) vorhanden. Zur stufenlosen Einstellung der Strahlungsleistung wird ein Dimmer (2) verwendet. Zur Fokussierung der Wärmestrahlung auf die Thermo¬ elementspitze (6) wird ein Linsensystem (4) eingesetzt. Zur Bestimmung des AC und DCAnteiles der Heizstrah¬ lung ist ein Pyrometer (8) mit vorgeschaltetem Linsen System (10) vorhanden. Das Pyrometer (8) mit Linsensystem (10) ist so positio¬ niert, daß dessen Brennpunkt unterhalb der Spitze (6) des Thermoelementes (7) und damit unterhalb des Brenn¬ punktes des Linsensystems (4) abgebildet wird. Das Pyrometer (9) mit Linsensystem (10) ist so angeord¬ net, daß sein Brennpunkt auf der Spitze (6) des Thermo¬ elementes (7) liegt. (Figur 1) . |
| 5. | 7 Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parabolspiegel (5) anstelle des Linsensystems (4) zur Fokussierung des vom Reflektor (3) erzeugten Strah¬ lengangs vorhanden ist. (Figur 2) . |
| 6. | 8 Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 und 7, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Positioniervorrichtung (12) zur reproduzierbaren Fixierung der Spitze (6) des Thermoele¬ mentes (1) vorhanden ist. ERSATZBLÄΪT (REGEL 26) 9 Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Reflektor (5) Öffnungen oder Fenster (17) und (18) für den Strahlendurchgang zu den Pyrometern (8) und (9) mit deren Linsensystem (10) aufweist. |
| 7. | 10 Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß wenigstens je eine Mikroprozessoreinheit (11) mit Signalleitungen (19) sowie eine Meßdatenerfas sungs und Speichereinheit (16) zur Verarbeitung der pyrometrisch gemessenen Signale vorhanden ist. |
| 8. | 11 Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zur Messung der Signale des Thermoelementes (7) wenigstens je eine Kaltstelleneinheit (13) , eine Ver Stärkereinheit (14) und eine Linearisierungseinheit (15) vorhanden sind. |
| 9. | 12 Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zur Fokussierung der IRStrahlung gleich zeitig sowohl das Linsensystem (4) und der Parabolreflek tor (5) eingesetzt werden. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zur Realisierung dienende Vorrichtung zur Kalibrierung von Thermoelementen im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 2800°C mit einem bevorzugten Arbeitsbereich von ca. 700 - 1800°C gemäß dem 5 kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
Die bisherigen Standard-Kalibrierverfahren für den industri¬ ellen Einsatz sind auf maximale Temperaturen bis ca. 1300°C begrenzt und dadurch gekennzeichnet, daß die zu kalibrieren-
10 den Thermoelemente durch kontaktierendes Aufheizen in Kali¬ brieröfen homogen beheizt werden, üblicherweise durch Wider¬ standsheizung. Homogen bedeutet, daß nicht die Spitze des Thermoelementes, sondern ein Bereich von ca. 200mm aufgeheizt werden muß; das ist aber üblicherweise ein Bereich, in dem
15. beim realen Einsatz ein Temperaturgradient vorhanden ist. Als spezielles, primär für Laboreinsatz geeignetes Kalibrierver¬ fahren wird das Schmelzen von Materialien, in der Regel in Form von Drähten, mit genau bekanntem Schmelzpunkt prakti¬ ziert (Fritz Lieneweg: Handbuch der technischen Temperatur-
20 essung, Vieweg 1976) . Weiterhin ist ein Kalibrierverfahren bekannt, bei dem Temperaturen bis ca. 2000 β C durch Messen des thermischen Rauschens infolge thermischer Erregung eines auf gleichem Temperaturniveau befindlichen Vergleichselementes bestimmt werden (H.Brixy: Kombinierte Thermoelement-Rausch-
25 thermometrie Kernforschungsanlage Jülich GmbH; Institut für Reaktorentwicklung, Forschungsbericht '86 Jül-2051) . Dieses Verfahren erfordert jedoch eine extrem aufwendige und kosten¬ intensive Signalverarbeitung.
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ERSATZBLÄ1T (REGEL 26)
Der Nachteil dieses Standes der Technik besteht darin, daß durch den großen aufgeheizten Bereich Fehler 1. und 2. Art in diesen Bereichen nicht detektiert werden können. Der große aufzuheizende Bereich ist verfahrensmäßig bedingt, um sicher- zustellen, daß die Thermoelementspitze die Ofentemperatur voll erreicht und nicht durch Wärmeleiteffekte über die Drähte ein - ΔT aufweist. Fehler 1. Art beruhen primär auf Diffusionsvorgängen und Umlegie, αngseffekten, die die Materialzusammensetzung und somit die thermoelektrischen Eigenschaften verändern. Fehler 2. Art entstehen, wenn
Thermoelemente, die den materialbegründeten Fehler 1. Art aufweisen, im Bereich anderer Temperaturgradienten eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Thermo¬ element-Kalibrierverfahren und die zugehörige Vorrichtung in der Art bereitzustellen, daß die Fehler 1. und 2. Art mit Be¬ zug auf einen vorgegebenen Temperaturgradienten quantitativ nachgewiesen werden und Kalibrierungen bis zu Temperaturen von mindestens 1800°C durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: Ausgehend von einer modulierten (z.B. Wechselstrombetrieb) Lichtquelle 1, vorzugsweise einem Halogen-Punktstrahler als IR-Quelle, wird eine IR-Strahlung, die mittels Dimmer 2 in einfacher Weise auf bestimmte Temperaturniveaus eingestellt werden kann, erzeugt. Die Modulation der Lichtquelle ermög¬ licht eine Separation der Strahlung, ausgehend von der Ther¬ moelementspitze 6 einerseits und dem reflektierten Ante: i der Lichtquelle andererseits. Die IR-Strahlung des Punktstrahlers 1 wird mittels eines Reflektors 3 derart gebündelt, daß je nach Ausgestaltung paralleles Licht über ein Linsensystem 4 (Figur 1) oder über einen Parabolreflektor 5 (Fi αr 2) fokus- siert wird. In beiden Ausführungen wird die Strahlung auf die Thermoelementspitze 6 fokussiert. Durch diese Art der Aufhei- zung wird ausschließlich die Spitze 6 des Thermoelementes 7 auf die gewünschte Kalibriertemperatur aufgeheizt. Dabei dient eine Positionierungsvorrichtung 12, vorzugsweise aus AI2O 3 , zur reproduzierbaren Fixierung der Thermoelementspitze
ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)
6 im Brennpunkt. Da eine genaue Kenntnis der Emissivitat er¬ forderlich ist, werden erfindungsgemäß wenigstens 2 Pyrometer derart eingesetzt, daß das erste Pyrometer 8 den AC- und DC- Anteil der Heizstrahlung und das zweite Pyrometer 9 den AC- und DC-Anteil der Thermoelementspitze 6 mißt. Dabei ist der AC-Anteil die Amplitude der Strahlungsmodulation und der DC- Anteil ist die über die Modulation gemittelte Strahlungslei¬ stung. Den Pyrometern vorgeschaltet ist jeweils ein fokussie- rendes Linsensystem 10, die Messungen der Pyrometer erfolgen durch Öffnungen 17 und 18 in dem Reflektor 5. Der Brennpunkt des Linsensystems 10 des Pyrometers 9 liegt auf der Thermo¬ elementspitze 6, der Brennpunkt des Linsensystems 10 des Py¬ rometers 8 liegt unterhalb der Thermoelementspitze 6, derart, daß das Bild des gesamten Reflektors 3 abgebildet wird (bis auf die zu vernachlässigende Abschattung durch die Thermo¬ elementspitze 6) . Die Meßsignale der Pyrometer 8 und 9 werden einem Mikroprozessor 11 zugeleitet, der aus dem Quotienten der beiden AC-Anteile die Emissivitat der Thermoelementspitze 6 in Realzeit ermittelt und mit der Kenntnis der Emissivitat und somit der Reflektivität aus den DC-Anteilen die Tempera¬ tur der Thermoelementspitze 6 unter Berücksichtigung der Mul- tireflexion seitens der Heizstrahlung bestimmt. Diese Meßda¬ ten werden mit dem mit der Temperatur in direkter Relation stehenden Meßsignal des Thermoelementes 7 verglichen. Dieses besteht aus einer EMK (Elektromotorische Kraft) , die über eine Kaltstelle 13 gemessen, verstärkt und linearisiert wird. Kaltstelle 13, Verstärker 15, Linearisierer 14 und Meßproto¬ kollschreiber 16 sind Stand der Technik und werden deshalb nicht in den Figuren dargestellt.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der technischen Ausgestaltung bestehen darin, daß bisher nicht erreichbare Meßbereiche bis 2800°C möglich sind und daß nur ein sehr kleiner Punkt beheizt werden muß, womit nur ge- ringe Heizleistungen aufzubringen sind. Die Referenztempera¬ tur wird nicht kontaktierend und somit sehr schnell gemessen; das Gerät ist insgesamt relativ einfach, leicht, portabel, außerdem können die Kalibrierzeiten extrem reduziert werden. Wichtig ist ferner, daß für die Messungen kein Regelkreis er-
ERSATZBLÄΓT(REGEL26)
forderlich ist. Das Gerät besteht im wesentlichen aus han¬ delsüblichen Komponenten und ist trotz höherer Leistungen deutlich billiger als bisherige Lösungen.
Zur Signalverarbeitung: Die AC-Signale werden mit sehr schnellen Analog/Digital-Karten aufgezeichnet und die Inte¬ gration über die Modulation kann mittels Fouriertransformati- onskarten durchgeführt werden.
Obwohl der normale Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Kali¬ brierverfahrens 700 - 1800°C beträgt, kann durch Modifikation des PyrometerSystems (andere Auswahl des Pyrometeraufnehmers) die Einsatztemperatur deutlich nach unten hin gesenkt werden, wobei dann auch die obere Grenze des Arbeitsbereiches ent- sprechend sinkt. Die gesamte Kalibriervorrichtung kann auch innerhalb einer Vakuumkammer im Hochvakuum betrieben werden.
ERSATZBLÄTT(REGEL26)