DE1648178A1

DE1648178A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen Messung der Temperatur bewegter Faeden oder Draehte

Info

Publication number: DE1648178A1
Application number: DE19671648178
Authority: DE
Inventors: Rolf Kueng
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1966-12-20
Filing date: 1967-01-21
Publication date: 1971-06-24
Also published as: CH472667A; GB1177239A; FR1548935A; US3525260A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe., Baden (Schweiz)

Einrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur bewegter Fäden oder Drähte.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur bewegter Faden oder Drähte unter Verwendung thermoelektriseher Geräte. Hierbei wird unter thermoelektrischen Geräten eine Anordnung verstanden, bei der durch die Wärmestrahlung elektrische Grossen irgendwelcher Art, wie Ströme, Spannungen und Widerstände beeinflusst werden. ' - ■ .

Um die Temperatur bewegter Fäden oder Drähte messen zu können, hat man bei den bekannten Einrichtungen die Fäaen über Lötstellen von Thermoelementen gleiten lassen, so .. ;s die Wärme des Drahtes auf die Thermoelemente unmittelbar übertragen wird. Durch die an den Thermoelementen entstehende Spannung kann die Temperatur festgestellt werden. .

Um hierbei entstehende Reibungswärme zu verringern* hat man den Draht in Rollen laufen lassen, die selbst als Ther-

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moelemente ausgeführt worden sind, Aber auch dann treten Fehler in der Messung auf, da durch Wärmekapazität der Rollenanordnung Wärme abgezogen wird. Besonders nachteilig ist hierbei die Abhängigkeit der Messfehler von der Fadengeschwindigkeit, die starken Aeriderungen unterworfen ist und daher nicht vorausberechnet werden kann« Auch ist es bei diesen Anordnungen nicht möglich, den Einfluss der Umgebungsluft auszuschalten, da die Luft durch Bewegung des Fadens mitgerissen wird.

Es stellt sich daher die Aufgabe, die Messung möglichst ohne solche Reibungsverluste durchzuführen. Dies geht nur bei berührungsloser Messung. Soche berührungslose Messungen sind bisher mit Pyrometeranordnungen für höhere Temperaturen durchgeführt worden, wobei die Wärmestrahlung für die Messung ausgenutzt wird. Mit den bisher bekannten Pyrometern konnte aber keine hinreichende Genauigkeit, insbesondere bei kleineren Temperaturen undjkleinen Fadenquerschnncten, erreicht werden. Erfindungsgemäss wird daher zur Behebung dieser Nachteile vorgeschlagen, dass der Draht berührungslos an dem in einem Gehäuse und mit diesem in engem Wärmekontakt befindlichen thermoelektrischen Gerät vorbeigeführt und die im thermoelektrischen Gerät durch die Wärmestrahlung des Fadens oder Drahtes in einem elektrischen fcrels entstehende Spannung einem Regelkreis zugeführt ist, der zur Angleichung der: Temperatur von Gehäuse und Faden über einen Verstärker an einer Heizwicklung geführt ist und dass eine Anzeigevorrichtung vor-, gesehen ist, welche die Temperatur öes Gehäuses anzeigt die

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im ausgeregelten Zustande gleich der Temperatur des Fadens oder Drahtes ist. Hierbei kommen als thermoelektrische Geräte die an sich bekannten Thermosaulen in Frage- bei denen also durch die Temperatur mehrere Lösteilen erwärmt werden ' und zwar werden einige durch den zu messenden Gegenstand erwärmt (sogenannte warme Lötstellen) und andere von der Umgebungstemperatur oder dem umgebenden Gehäuse beeinflusst (sogenannte kalte Lötstellen). Durch die so entstehende Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Lötstellen entsteht an einer solchen Säule eine elektrische Spannung als Mass für die Temperatur des Messgegenstandes bei konstanter Umgebungstemperatur.

Man kann auch Photozeilen benutzen, die auf Wärmestrahlen ansprechen und eine der Temperatur entsprechende Spannung erzeugen, welche dann ebenfalls dem genannten Regelkreis zugeführt werden. ·

Eine andere Lösung ist die Verwendung von Bolometerwiderständen die einen temperaturempfindlichen Widerstand haben.

Die Figu/^ren 1-5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. In Fig. 1 ist die Anordnung zur Messung der Temperatur des Drahtes oder Fadens mit Hilfe einer Thermosäule im Auf- und Grundriss gezeigt. Fig. 2 stellt eine Anordnung einer kompensierten Thermosäule dar, die Fig. j5 zeigt den Einbau einer ,solchen kompensierten Thermosäule genauer. Fig. k stellt die Anord-

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nung mit Bolometerwiderständen und Fig. 5 die Verwendung der Messeinrichtung zur Regelung der Fadentemperatur dar.

In Fig. 1 ist 1 das Gehäuse der Messanordnung,·2 stellt den Faden oder Draht dar, der durch den Schlitz J5 eingeführt wird und dann (in der Zeichnung) von oben nach unten, wie der zugehörige Grundriss zeigt, durch das Gehäuse an den Führungen 4 hin- · durchläuft. Der Schlitz braucht hierbei nur um Bruchteile des Durchmessers des Fadens oder Drahtes breiter zu sein.

Dicht am Faden 2, aber berührungslos liegt die Thermosäule mit den warmen Lütststellen 5· 6 sind die kalten Lötstellen, welche die Temperatur des.Gehäuses annehmen. Die einzelnen Stäbchen der Thermosäule sind in der Platte 7 gehalten. Hierdurch stehen sie in guter Wärmeverbindung mit dem Gehäuse 1. Die elektrischen Ausführungen der Thermosäule sind mit 10 bezeichnet. Sie verbinden die Thermosäule .mit dem Verstärker 11, dessen Ausgang an die Heizwicklung 8 geführt ist. Diese heizt das Gehäuse auf und zwar so lange, wie am Ausgang des Verstärkers eine Spannung vorhanden ist. 9 ist nun ein Temperaturfühler, beispielsweise ein Thermoelement oder ein Thermometer, das die Temperatur des Gehäuses misst und als elektrische Spannung an das Messinstrument 12 weitergibt. 1> ist ein Isolierstück, durch die die Leitungen hindurchgeführt werden. Der Faden 2 durchläuft die zylinderförmige Oeffnung 14. Diese ist zweckmässigerweise innen hochglanzpoliert, um die Strahlung des Drahtes an die warmen Lötstellen der Thermosäule zu reflektieren. An den oberen und unteren Enden dieses Zylinders sind

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Führungsteile 4 vorgesehen, die nur einen Schlitz zur Einführung des Fadens oder Drahtes besitzen. Dieser Schlitz ist nur um Bruchteile des Durchmessers des Fadens grosser.

Die Wirkungsweise der Anordnung.ist nun folgende: Es sei angenommen, dass der Faden 2 wärmer ist als das Gehäuse 1. Die wärmen Lötstellen haben dann ebenfalls eine höhere Temperatur als die kalten Lötstellen. Diese Temperaturdifferenz erzeugt in der Thermasäule eine elektrische Spannung, die im Verstärker 11 verstärkt wird und Strom durch die Heizwick- ' lung 8 schickt. Hierdurch wird das Gehäuse erwärmt und die Temperatürdifferenz zwischen den warmen und kalten Lötstellen verkleinert. Damit wird aber auch die Spannung kleiner und der Strom in der Heizwicklung nimmt/ab. Dies geht so lange, bis die Temperatur beider Lötstellen gleich ist. Dann hat das Gehäuse genau die Temperatur des Drahtes angenommen. Dies kann dann leicht mit Hilfe des Thermoelementes 9 in dem Spannungsmesser 12, das in Temperaturgraden.geeicht ist, gemessen werden. Die Temperatur des Fadens wird hierbei also durch den Regelkreis, warme Lötstelle 5.» Verstärker 11, Heizwicklung 8, Gehäuse 1, kalte Lötstelle 6 auf das Gehäuse übertragen und kann dann als Temperatur des Fadens gemessen werden.

Man kann nun die Genauigkeit der Messung noch erhöhen, wenn man die Uebergänge zwischen Tfcrmosäule und Gehäuse Wärmetechnisch verbessert« Man verwendet dann zwei Thermosäulen, welche gegeneinander geschaltet sind oder eine kompensierte Thermo-

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säule, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist. Die Platte 7, in welche die Stäbchen der Thermosäule eingelassen sind, besteht hierbei aus Isoliermaterial. Die Thermoelemente liegen an beiden Enden dieser Stäbchen, 3 sind Meder die warmen Lötstellen und 6 die kalten. Die Stäbchen sind elektrisch hintereinander geschaltet, und zwar so, dass die Thermospannungen entgegengesetzt gerichtet sind. An den Ausführungen 10 liegt dann die Differenzspannung -zwischen der Spannung der warmen und kalten Lö^tstellen.

In Fig. > ist der Einbau einer solchen kompensierten Thermosäule genauer dargestellt. 2 ist wieder der Draht oder der Faden, dessen Temperatur gemessen werden soll. In unmittelbarer Nähe liegen die warmen Lötstellen. Die Platte 7 hält wieder die Stäbchen der Thermosäule. Gegenüber den kalten Lötstellen 6 ist ein weiterer, fester Faden 16 vorgesehen, der in unmittelbarer Wärme verbindung mit dem Gehäuse 1 steht. Auf diese Weise werden die warmen Lötstellen von der Temperatur des hindurchlaufenden Fadens und die kalten Lötstellen von der Temperatur des festen Fadens und damit des Gehäuses beeinflusst. Die Temperatur des Gehäuses wird nun wieder mit dem Thermoelement 9 gemessen. ·

Fig. 4 zeigt ölne andere Ausführung mit Bolometerwiderständen. Die Ausführung 1st ähnlich der in Fig. 3. Es ist auch der feste zusätzliche Draht l6 zur Uebertragung der Wärme des Gehäu-

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ses vorgesehen. Auch die Befestigung der therinoelektrischen Glieder (Thermodetektoren) ist ähnlich wie in Flg. j5. Statt der Thermosäulen sind nun aber Bolometerwiderstände 17 und also durch Strahlungswärme empfindliche Widerstände, vorgesehen. Diese Bolometerwiderstände bilden einen Teil einer Messbrücke, welche ausserdem noch die Widerstände 19 und 20 besitzt. Der Brücke wird eine Gleichspannung (ΐ) zugeführt. Im eigentlichen Brückenzweig liegt nun der Verstärker 11, welcher nur dann eine Spannung erhält, wenn ein Ungleichgewicht in der Brücke vorhanden ist. Diese Spannung wird wieder der Wicklung verstärkt zugeführt. Bei gleicher Temperatur von Gehäuse und Draht ist die Spannung im Brückenzweig, also auch am Verstärker, null. Ist aber die Temperatur verschieden, so fliesst ein Strom. Die Temperatur des Gehäuses wird solange erhöht, bis sie gleich der Temperatur des Fadens ist.

Fig. 5 zeigt nun eine weitere Ausführungsform.der Erfindung, bei der die Messanordnung eine andere Aufgabe besitzt. Sie soll nämlich den Faden oder Draht 2 auf eine vorgeschriebene Temperatur bringen. Hierfür ist die Anordnung der Fig. 1 etwas

1. anders geschaltet. Die Temperatur des Gehäuses wird hierbei nicht geändert, sondern es wird die Temperatur des Fadens so lange geändert, bis beide Temperaturen gleich sind. Man stellt die Temperatur des Gehäuses auf einen verlangten Wert ein. Diesem Zweck dient der Sollwertgeber 19* Dieser stellt; , die Regeleinrichtung 20 auf den verlangten Wert, Dieser

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spricht dann zugleich der tatsächlichen Temperatur des Gehäuses, welche wieder durch ein Thermoelement 9 gemessen wird» Die eingestellte Temperatur kann im Instrument 12 abgelesen werden. Durch die Hegeleinrichtung 20 wird nun der Widerstand 21 so verstellt, dass ^e nach der eingestellten Temperatur der Strom in der Heizwicklung 8 höher oder niedriger wird. Dadurch ändert sich die Temperatur des Gehäuses so lange, bis sie den verlangten Sollwert annimmt, üngenau-Igkeiten durch Einflüsse der Aussentemperatur und der zugeführten Spannung können hierbei laufend ausgeregelt werden. Damit nun auch der Faden oder Draht 2 die gleiche Temperatur annimmt, wird wieder der Temperaturunterschied zwischen Faden und Gehäuse mit Hilfe der Thermosäule mit den warmen Lötstellen 5* als elektrische Spannung dem Verstärker 11 zugeführt. Dessen Ausgangsspannung wird nun an eine Heizwicklung 22 gelegt, die den Draht auf die gewünschte Temperatur bringt. Diese Temperatur regelt sich ebenfalls laufend au? den verlangten Wert ein, der dann der Temperatur des Gehäuses 1 entspricht. Auf diese Weise kann dem Faden die erforderliche Temperatur durch berührungslose Regelung und Messung gegeben werden.

Diese Anordnungen beeinflussen praktisch den Faden selbst n^cht, so dass seine Temperatur sehr genau bis auf Bruchteile von Graden selbst bei kleinen Durchmessern gemessen werden kann. Auch die den Faden umgebende Luft wird bei dieser An-

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Ordnung nicht mitgerissen, da sie durch den sehmalen Schlitz nicht in den Messzylinder l4 gelangen kann. Auch durch diese Luft wird also das Messergebnis nicht gefälscht. Die Enge
des Schlitzes hält die Luft auch bei grösseren Querschnitten des Fadens (beispielsweise 0.5 mm) genügend.zurück.

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Claims

Pa te η t a η s ρ r ü ο h e

1. Einrichtung zur berührungslos en Messung der Temperatur beweglicher Fäden oder Drähte unter Verwendung therraoelektrischer Geräte, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht berührungslos an dem in einem Gehäuse und mit diesem in engem Wärmekontakt befindlichen thermoelektrischen Gerät vorbeigeführt ist und die im thermoelektrisehen Gerät durch die Wärmestrahlung des Fadens oder Drahtes in einem elektrischen Kreis entstehende Spannung einem Regelkreis zugeführt ist, der zur Angleichung der Temperatur von Faden und Gehäuse über einen Verstärker an eine Heizwicklung geführt ist und dass eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, welche die Temperatur des Gehäuses anzeigt, die im ausgeregelten Zustande gleich der.Temperatur des Fadens oder Drahtes ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis aus einem Verstärker, einer auf dem Gehäuse angebrachten Heizwicklung, dem Gehäuse selbst besteht.

3- Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Regelkreis aus einem Verstärker, einer den Draht umgebenden Heizwicklung urid dem Draht selbst besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Gerät mindestens eine Thermosäule ist, deren Spannung dem Regelkreis zugeführt wird.

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5» Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet _a dass das thermoelektrische Gerat aus zwei Bolometerwiderständen "besteht, von denen der eine von der Temperatur des Fadens oder Drahtes, der andere von der des Gehäuses beeinflusst wird, * und dass die Bolometerwiderstande in einer Brüekensehaltung liegen, deren Spannung im Brüekenzwelg an den Regelkreis geführt wird, ,

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Photoelemente vorgesehen sind, von denen das eine durch die Temperaturstrahlung des Drahtes oder Fadens, das andere durch die Temperaturstrahlung des Gehäuses beeinflusst wird und deren Spannungsdifferenz dem Regelkreis zugeführt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleiche Thermo säulen, vorgesehen sind, deren Lötstellen abwechselnd und entgegengesetzt gepolt hintereinandergesehaltet sind, und an der einen Thermosäule der zu messende Draht vorbeigeführt ist und der anderen Thennosäule ein mit dem Gehäuse in Verbindung stehender fester Draht gegenübersteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an den Stellen, wo der Draht vor dem thermoelektrischen Gerät liegt, eine zylinderische.Bohrung besitzt, deren Innenwand auf Hochglanz poliert ist.

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9· Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführungsöffnungen für den Draht am Gehäuse schlitzförmig ausgeführt sind und die Breite des Schlitzes nur um Bruchteile des Durchmessers des Fadens oder Drahtes grosser

ist.

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W Brown, Boverl & Cie.

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