DE3447724C2

DE3447724C2 - Temperaturmeßvorrichtung einer einen Hochdruckofen aufweisenden isostatischen Heißpreßeinrichtung

Info

Publication number: DE3447724C2
Application number: DE3447724A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Tojyo; Tatsuo Uesaka; Yoshio Kawate; Masayoshi Iwasaki; Takefumi Horiuchi; Masato Moritoki; Takeshi Kanda; Takao Fujikawa; Shigeo Kofune
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2004-12-22
Also published as: DE3447724A1; USRE33245E; US4666314A

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßvorrichtung einer einen Hochdruckofen aufweisenden isostatischen Heißpreßeinrichtung, mit dem eine Temperaturmessung höherer Genauigkeit in der Hochtemperatur- und Hochdruck-Atmosphäre der isostatischen Heißpreßeinrichtung erzielbar ist.

Bei verschiedenen industriellen Prozessen ist die Temperaturmessung eine von wichtigen Arbeitsabläufen, und es ist oft erforderlich, die Temperatur bei einem Prozeß zu messen und die Meßwerte an einen entfernten Ort für die Steuerung und Überwachung des Temperaturzustandes des betreffenden Prozesses zu übertragen. Insbesondere bei der isostatischen Heißpreßbehandlung, die z. B. zum Formpressen von keramischem Pulver oder zum Pressen oder Verfestigen der Struktur von Hartmetall-Legierungen verwendet wird, ist es in hohem Maße wünschenswert, die Temperatur und ihre Verteilung in einem Hochtemperatur- und Hochdruckofen mit hoher Genauigkeit zu messen und die Atmosphäre in dem Ofen in einem optimalen Zustand zu halten, der auf der gemessenen Temperaturinformation beruht.

Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, sind bereits verschiedene Temperaturmeßvorrichtungen vorgeschlagen und entwickelt worden, z. B. Thermoelemente, sowie verschiedene Arten von Thermometern, wie z. B. Gasthermometer, Rauschthermometer, Fluidthermometer und Strahlungsthermometer. Diese herkömmlichen Temperaturmeßvorrichtungen haben sich jedoch als nicht zufriedenstellend erwiesen.

Beispielsweise besteht eine Schwierigkeit darin, die Temperaturinformation aus dem Innenraum eines Hochtemperaturofens nach außen zu übertragen. Gemäß einem Experiment, über welches das Battelle Memorial Institute berichtete, wurde Wärmestrahlung aus dem Innenraum des Ofens durch ein optisches Fenster aus Saphir, das am Druckkessel des Ofens angebracht war, herausgebracht (D. C. Carmioheal, P. D. Ownby, E. S. Hodge, "Hot Isostatic COMPACTION of Graphite" BML - 1746 (1965)). Das optische Fenster wurde aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Druckes beschädigt, was eine extrem gefährliche Situation hervorrief.

Das optische Fenster wurde von der durch es hindurchgehenden Wärmestrahlung übermäßig erhitzt, wodurch seine Festigkeit sank und die Gefahr seiner Zerstörung unter der Wirkung des hohen Druckes entstand.

Außerdem erfordert die Anbringung des optischen Fensters am Druckkessel eine Öffnung im Druckkessel, was die Druckfestigkeit des Druckkessels verringert. Unter anderem kann im Falle einer isostatischen Heißpreßeinrichtung, bei der sich unter Hochdruck stehendes Gas im Innenraum des Druckgefäßes befindet, die Zerstörung des optischen Fensters oder des Druckgefäßes zu verhängnisvollen Unfällen führen und somit schwerwiegende Probleme im Hinblick auf die Sicherheit aufwerfen.

Es gibt noch ein weiteres Problem bei der Übertragung der Temperaturinformation aus dem Ofen. Die Temperaturinformation, die mit den oben erwähnten Thermoelementen oder Strahlungsthermometern aus dem Ofen herausgebracht wird, wird in Form elektrischer Signale mit einem Kabel oder einer anderen Leitung zur Steuerung und Überwachung des Ofens zu einem entfernten Ort übertragen, wobei aufgrund elektromagnetischer Induktion oder dergleichen Rauschen in der Leitung auftritt.

In Anbetracht dessen ist die Verwendung optischer Fasern, die als starre (DE-AS 20 03 048) und flexible (DE 31 33 822 A1) Lichtleiter in der Pyrometrie bekannt sind, für die Aufnahme der Wärmestrahlungsenergie im Ofen als Strahlungslicht und für ihre Übertragung über eine optische Strecke in jüngerer Zeit vorgeschlagen und entwickelt worden. Beispielsweise ist in der JP-OS 129 827/1981 ein Thermometer unter Verwendung optischer Fasern offenbart, wobei Strahlungswärme von einem Wärmestrahlungstarget, das sich an der Einfallsendfläche einer optischen Faser befindet, aufgefangen, das so aufgefangene Strahlungslicht durch die optische Faser übertragen und für die Messung der Temperatur mit einem Wandler in elektrische Signale umgewandelt wird. Das Problem von Beschädigungen im Austrittsbereich aus dem Ofen oder dem Ofenkörper kann somit vermieden und auch Auftreten von Rauschen beseitigt werden, da die Information von einem optischen System übertragen wird.

Weiter ist ein Temperaturmeßsystem für eine einen Hochdruckofen aufweisende isostatische Heißpreßeinrichtung bekannt (vgl. SE-OS 79 10 226-5), bei der der Hochdruckofen mittels einer Abdeckung verschließbar ist und im Inneren eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung aufweist. Bei diesem Temperaturmeßsystem ist ein an seinem äußeren Ende geschlossenes, von der Abdeckung in den Hochdruckofen ragendes Rohr, welches eine Fokussiereinrichtung enthält, und ein an dem anderen Ende des Rohres in diesem angeordneter opto-elektronischer Detektor, der das von der Innenwand des Rohres thermisch abgestrahlte Licht mißt und der zum Auswerten der Meßdaten mit einem Rechner elektrisch verbunden ist, vorgesehen.

Wenn sich das Wärmestrahlungstarget auf einer extrem hohen Temperatur befindet, kann die optische Faser schmelzen oder entglasen, was die Temperaturmessung ungenau oder gar unmöglich macht. Wenn außerdem die optische Faser, so wie sie ist, unter hohem Druck und hoher Temperatur im Innenraum des Ofens angeordnet wird, würde die optische Faser in übermäßiger Weise erhitzt und aufgelöst werden, da sie der Leitung und Konvektion des Druckmediums bei hoher Temperatur im Ofen ausgesetzt ist, was außerdem zu einer Änderung in der optischen Ablenkung führt.

Ferner kann die im Ofen angeordnete optische Faser in unerwünschter Weise das periphere Strahlungslicht zusätzlich zu dem von dem Target auf die Einfalls-Endfläche der optischen Faser auftreffenden Strahlungslicht auffangen. Ein derartiges peripheres Licht würde, in Abhängigkeit vom jeweiligen Falle, eine Verfälschung der Temperaturmessung ergeben.

Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung von optischen Fasern auftritt, besteht in der Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der optischen Faser, die dem Target gegenüberliegt, durch Staub. Eine derartige Verunreinigung wird zu einem Abfall oder einer Verringerung der Lichtmenge führen, die auf die optische Faser auftritt, und Rauschen in der verarbeiteten Information hervorrufen. Wenn bei der Messung der Strahlungstemperatur unter Verwendung der optischen Faser beispielsweise die Einfalls-Endfläche der Faser verunreinigt wird, so daß die optische Lichtmenge abnimmt, wird eine Temperatur angezeigt, die niedriger ist als der tatsächliche Temperaturpegel.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Temperatur bzw. der Temperaturverteilung im Hochdruckofen einer isostatischen Heißpreßeinrichtung mit hoher Genauigkeit und unter Vermeidung von durch Streulicht oder Verunreinigungen hervorgerufenen Meßfehlern messen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst, welches die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Um die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, ist gemäß der Erfindung ein neuartiges Temperaturmeßsystem im Ofen für einen isostatischen Heißpreß-Prozeß unter Verwendung von optischen Fasern als Temperatur-Aufnahmeeinrichtung entwickelt worden, das die hohe Temperatur im Ofen aushalten kann und für eine genaue Temperaturmessung sorgt und das frei von Nachteilen aufgrund des peripheren Streulichtes oder der Verunreinigung der Einfalls-Endfläche der jeweiligen Faser ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Meßsystem zum Messen der Temperatur bzw. der Temperaturverteilung im Hochdruckofen einer isostatischen Heißpreßeinrichtung angegeben, wobei eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung im Inneren eines Hochdruckbehälters angeordnet sind, in dem das darin enthaltene Material einer isostatischen Heißpreßbehandlung unterzogen wird. Eine Vielzahl von jeweils ein geschlossenes Ende aufweisenden Rohren jeweils unterschiedlicher Länge, durch welche Druckmedium hindurchgeleitet werden kann, steht mit dem Innenraum des Hochdruckofens in Verbindung. Das geschlossene Kopfende jedes der Rohre ist so angeordnet, daß es im Gleichgewicht mit der peripheren Temperatur ist und Wärmestrahlung, die den jeweiligen Heizzonen entspricht, an die Innenseite eines der Rohre mit geschlossenem Ende abgibt, woher ein Einfallskopfende einer optischen Faser, eines Bündels optischer Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente am offenen Ende jedes der Rohre angeordnet ist, so daß diese Rohre in der Lage sind, das von der Innenwand jedes der Rohre mit geschlossenem Ende thermisch abgestrahlte Licht zu empfangen. Das rückseitige Ausgangsende jedes der Rohre ist durch eine Abdeckung zur Außenseite des Hochdruckbehälters geführt. Ein Meßsystem ist an jedes der rückseitigen Ausgangsenden angeschlossen, um die von der Innenwand der jeweiligen Rohre mit geschlossenem Ende ausgehende Wärmestrahlungsenergie zu messen. Dabei wird eine Kompensation vorgenommen, bei der die Wärmeenergie, die von der Innenwand jedes der Rohre mit geschlossenem Ende in die optische Faser, das Bündel optischer Fasern oder das entsprechende stabförmige optische Element abgestrahlt wird, subtrahiert wird, um die Temperatur aufgrund der Wärmestrahlungsenergie vom Kopfende jedes Rohres mit geschlossenem Ende in jeder der Heizzonen im Hochdruckbehälter festzustellen und dadurch die Temperaturverteilung im Ofen zu ermitteln.

Da sich bei der Vorrichtung eine Vielzahl optischer Fasern innerhalb einer Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende befindet, um die Strahlungswärme in verschiedenen Höhen des Ofens aufzunehmen, und da weiterhin die mit den optischen Fasern aufgenommene Temperaturinformation mathematisch verarbeitet wird, um das periphere Strahlungslicht zu kompensieren, das sonst Meßfehler hervorrufen würde, kann die Temperatur sowie ihre Verteilung innerhalb des Ofens mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Außerdem kann bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung der Einfluß von Verunreinigungen, die sich an der Einfalls-Endfläche der optischen Fasern ergeben, bei der Temperaturmessung im Hochdruckofen einer isostatischen Heißpreßeinrichtung eliminiert werden. Dazu ist eine optische Referenzlichtquelle vorgesehen, deren Referenzlicht in die Ausgangs-Endfläche der optischen Faser, des Bündels optischer Fasern oder entsprechender stabförmiger optischer Elemente eintritt, um die Strahlungsenergie im Ofen aufzunehmen, wobei das Reflexionslicht von der anderen Endfläche (der Einfalls-Endfläche für die Strahlungsenergie aus dem Ofen) der optischen Faser, des Bündels optischer Fasern oder anderer äquivalenter stabförmiger optischer Elemente aufgrund des einfallenden Referenzlichtes zusammen mit der Strahlungsenergie aus dem Innenraum des Ofens aufgenommen wird. Die so aufgenommene Energie wird anschließend in das Strahlungslicht aus dem Innenraum des Ofens und das reflektierte Referenzlicht getrennt, um den gesamten optischen Transmissionsfaktor für die optische Faser, das Bündel optischer Fasern oder die anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente zu bestimmen, und zwar einschließlich der Verluste an ihren Endflächen, wodurch die optische Information aufgrund der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens aufgrund des Transmissionsfaktors verbessert wird.

Da mit der oben beschriebenen Vorrichtung der Verunreinigungsfehler durch die Verwendung von Referenzlicht und die anschließende mathematische Kompensation ausgeglichen werden kann, sind mühsame und schwierige Reinigungsarbeiten nicht mehr erforderlich, was einen großen Beitrag für die Verringerung der Wartungs- und Reparaturarbeiten mit sich bringt.

Der Einfluß von Verunreinigungen der Einfalls-Endfläche der optischen Faser kann auch bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ausgeschaltet werden, bei der eine Referenzlichtquelle, eine erste optische Faser, ein Bündel optischer Fasern oder andere äquivalente stabförmige optische Elemente zur Aufnahme der Strahlungsenergie im Ofen sowie eine zweite optische Faser, ein zweites Bündel optischer Fasern oder zweite andere äquivalente stabförmige optische Elemente, die sich von den ersten unterschieden, vorgesehen sind. Das Referenzlicht von der Referenzlichtquelle wird durch die zweite optische Faser, das zweite Bündel optischer Fasern oder die zweiten anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente zur Einfalls-Endfläche der ersten optischen Faser, des ersten Bündels optischer Fasern oder der ersten anderen stabförmigen optischen Elemente gestrahlt, wobei das Referenzlicht zusammen mit der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens herausgeholt wird und durch die optische Faser, das Bündel optischer Fasern oder die anderen stabförmigen optischen Elemente hindurchgeht. Danach wird die so herausgeholte Energie in das Strahlungslicht von der Innenseite des Ofens und in das Referenzlicht getrennt, um den gesamten Transmissionsfaktor der ersten optischen Faser, des ersten Bündels optischer Fasern und der ersten anderen äquivalenten stabförmigen optischen Elemente einschließlich der optischen Verluste an ihren Endflächen zu bestimmen. Dabei wird die optische Information aufgrund der Strahlungsenergie von der Innenseite des Ofens mittels des Transmissionsfaktors kompensiert bzw. korrigiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen der Meßvorrichtung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch ein an einem Ende geschlossenes Rohr, wobei die Verbindung einer optischen Faser mit der Meßvorrichtung zu erkennen ist,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung von Vorrichtungen zum Messen der Temperaturverteilung in einem Ofen einer Heißpreßeinrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Rechners zur Verwendung für die Vorrichtungen gemäß Fig. 2 und 3,

Fig. 5 und 6 perspektivische Darstellungen der jeweiligen Anordnungen von jeweils ein geschlossenes Ende aufweisenden Rohren bei verschiedenen Ausführungsformen von Drei-Zonen-Heiz einrichtungen,

Fig. 7 bis 9 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Montage der in Fig. 6 gezeigten, ein geschlossenes Ende aufweisenden Rohre, wobei Fig. 7 eine Vorderansicht, Fig. 8 eine Draufsicht und Fig. 9 eine Seitenansicht zeigen,

Fig. 10 ein Flußdiagramm der Messung der Temperaturverteilung,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Temperatur und dem Abstand von dem offenen Ende des Rohres mit geschlossenem Ende,

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Wärmestrahlungsenergie, die auf die optische Faser auftrifft, und der Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende, und

Fig. 13 bis 15 Blockschaltbilder zur Erläuterung von verschiedenen Schaltungen zur Kompensation des Einflusses von Verunreinigungen, die an der Einfall-Endfläche der optischen Faser auftreten können.

In Fig. 1 ist eine Meßvorrichtung gezeigt, die ein am Kopfende geschlossenes Rohr 5 aufweist, das eine optische Faser 6 enthält, die vom Kopfende des Rohres 5 abgestrahlte Wärme durch das untere, offene Ende des Rohres 5, das sich nahe dem Boden des Ofens befindet, nach außen leitet. Diese optische Faser 6 ist mit einer Meßvorrichtung verbunden, die ein Strahlungsthermometer 7 aufweist.

Die Vorrichtung zum Messen der Temperaturverteilung wird nachstehend anhand spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 12 näher erläutert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine Vielzahl von ein geschlossenes Ende aufweisenden Rohren 32 vorgesehen, die durch die Ofenwand 31 eines Hochdruckbehälters hindurchgehen. Detektoren 33, die jeweils photoelektronische Umwandlungseinrichtungen enthalten, sind an der Öffnung des jeweiligen Rohres mit geschlossenem Ende angeordnet, und die Wärmestrahlung von den Kopfenden der Rohre 32 mit geschlossenem Ende wird in elektrische Signale umgewandelt, die in Verstärkern 34 verstärkt und dann in einen Computer 35 eingegeben werden, wo die mathematische Verarbeitung vorgenommen wird, um die Temperaturen am Kopfende der Rohre 32 mit geschlossenem Ende jeweils in Anzeigeeinrichtungen 40 anzeigen zu können.

Wenn im Innenraum des Ofens der Druck etwa 2000 bar und die Temperatur etwa 2000°C beträgt, kann man mangelnder Druckfestigkeit der Dichtung die Rohre 32 mit geschlossenem Ende nicht durch die Ofenwand 31 zur Außenseite des Ofens führen. Daher sind, wie in Fig. 3 dargestellt, die Rohre 32 mit geschlossenem Ende vollständig im Hochdruckofen untergebracht und an der Innenseite einer innerhalb der Ofenwand 31 eines Hochdruckbehälters angeordneten Wärmeisolierschicht befestigt. Die Wärmestrahlung wird vom Kopfende der Rohre 32 mit geschlossenem Ende mit optischen Fasern 36, die in den Öffnungen der Rohre 32 mit geschlossenem Ende angeordnet sind, durch eine untere Abdeckung 38 des Ofens zur Außenseite des Ofens geführt und dort mit einer Meßvorrichtung gemessen, das Detektoren 39 und einen Rechner 41a aufweist.

In diesem Falle wird die Strahlungswärme, die zur Außenseite des Ofens herausgeführt wurde, üblicherweise mit einem Strahlungsthermometer gemessen, das eine photoelektronische Umwandlungseinrichtung aufweist, die Si-Photodioden umfaßt, und dann mit herkömmlicher Helligkeits- Temperatur-Wandlung und Zweifarben-Temperaturoperation in einen Temperaturwert umgesetzt. Eine Abtastwellenlänge für das Strahlungsthermometer zwischen 0,3 µm und 0,6 µm erweist sich für diese Messung als sinnvoll und wirkungsvoll.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten des Rechners 41a für die mathematische Operation zur Bestimmung der Temperaturverteilung in jedem der Systeme; dabei ist ersichtlich, daß die Wärmestrahlung von den jeweiligen Rohren 32 mit geschlossenem Ende erfaßt bzw. gemessen und dann eine Berechnung mit einem digitalen Zählverfahren unter Verwendung einer vorgegebenen elektrischen oder elektronischen Verarbeitungsschaltung durchgeführt wird, die in konventioneller Weise ausgelegt ist, wobei anschließend die Anzeige der Temperaturen erfolgt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen spezielle Ausführungsformen einer Heizeinrichtung eines Dreizonen-Heizsystems für eine isostatische Heißpreßeinrichtung. In diesem Falle muß die Temperatur für jede der drei Zonen gemessen werden, um die elektrische Energie zu steuern, die den Heizeinrichtungen 41, 42, 43 für die obere, die mittlere bzw. die untere Zone zugeführt wird. Es sind drei Rohre 44, 45, 46 mit geschlossenem Ende vertikal derart angeordnet, daß ihre Kopfenden sich bei den jeweiligen Temperaturmeßpunkten für die obere, die mittlere und die untere Heizeinrichtung 41, 42, 43 in Fig. 5 befinden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird ein Einsatzstück 47 aus wärmebeständigem Material anstelle der drei Rohre mit geschlossenem Ende verwendet, wobei in dem Einsatzstück 47 drei hohle Kanäle 48, 49, 50 mit Längen vorgesehen sind, die den jeweiligen Temperaturmeßpunkten für die obere, die mittlere und die untere Zone entsprechen. Diese zuletzt genannte Konstruktion ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf mechanische Festigkeit sowie leichte Montage und Handhabung.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, ähnlich wie in Fig. 6. Ein Einsatzstück 51 ist aus mehreren Teilen 51a, 51b, 51c, 51d zusammengesetzt, die aneinander angepaßt sind, wie Fig. 9 zeigt, um eine integrale Anordnung von rohrförmigen Kanälen mit geschlossenem Ende zu bilden.

Die Kanäle mit geschlossenem Ende sind entsprechend den jeweiligen Ausführungsformen angeordnet. Detektoren sind direkt oder über optische Fasern an die Kanäle mit geschlossenem Ende angeschlossen, um die Temperaturmessung durchzuführen, wie in dem Flußdiagramm der Fig. 10 dargestellt. Die Temperatur T am Kopfende des Kanals mit geschlossenem Ende wird durch die Eingabe der Wärmestrahlungsenergie, die Berechnung und die Bezugnahme auf die Rechentabelle angezeigt. Dann geht der Schritt zurück zum Start des Flußdiagramms für die kontinuierliche Messung, um in sicherer und zuverlässiger Weise die Temperatursteuerung bei der isostatischen Heißpreßbehandlung vorzunehmen.

Simulierte Experimente werden nachstehend mit numerischen Werten angegeben.

Es wurde ein Experiment unter Verwendung von optischen Fasern durchgeführt, die jeweils einen Kerndurchmesser von 400 µm haben und jeweils in einem der Rohre mit geschlossenem Ende mit 1 m Länge und 1 mm Innendurchmesser angeordnet sind, wobei die Temperatur von 2000°C am Kopfende allmählich und linear auf eine Temperatur von 500°C an der unteren Öffnung des Rohres mit geschlossenem Ende geändert wird. Als Ergebnis erhielt man folgende Meßfehler für die Temperatur: ungefähr 200°C bei der Abtastwellenlänge von 0,9 µm und ungefähr 20°C bei der Abtastwellenlänge von 0,4 µm. Diese Werte ergaben sich relativ zu der Temperatur von 2000°C am Kopfende mit einem einfachen Temperaturwandlungsverfahren auf der Basis der gesamten Wärmestrahlungsenergie vom Kopfende und der Seitenwand der Rohre mit geschlossenem Ende, die auf die optischen Fasern auftraf. Diese Fehler konnten jedoch durch Kompensation eliminiert und dabei auch der Einfluß der Seitenwandtemperatur ausgeräumt werden.

Weiterhin wurde die Änderung der auf die optische Faser auftreffenden Wärmestrahlungsenergie untersucht, wobei die Temperatur am unteren Ende des Rohres mit geschlossenem Ende auf 300°C gesetzt und die Temperatur am Kopfende des Rohres mit geschlossenem Ende innerhalb eines Bereiches zwischen 1000°C und 2500°C variiert wurde (vergleiche die ausgezogene Linie in Fig. 11). In diesem Falle wurde angenommen, daß der mittlere Bereich des Rohres mit geschlossenem Ende ein Temperaturgefälle aufwies, wie es mit der gestrichelten Linie in Fig. 11 angedeutet ist, welche die Temperatur am Kopfende und die Temperatur am unteren Ende des Rohres mit geschlossenem Ende linear verbindet.

Das Ergebnis ist mit der gestrichelten Linie in Fig. 12 eingetragen. Dann wird für den Fall einer tatsächlichen Eichung der gesamten Temperaturmeßvorrichtung ein solcher Fall berücksichtigt, bei dem das Kopfende auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die um 200°C höher liegt als die Temperatur im mittleren Bereich des Rohres mit geschlossenem Ende, wobei angenommen wird, daß eine reale Eichkurve erhalten wird, die der gestrichelten Linie in Fig. 12 entspricht. Wenn die Temperatur am Kopfende bei 1500°C liegt, nimmt die dargestellte Strahlungsenergie um den Wert P' in der grafischen Darstellung bei der Beheizung im mittleren Bereich zu, um zu der Position zu gelangen, die mit der ausgezogenen Linie in Fig. 12 dargestellt ist.

Wenn dementsprechend die erhöhte Strahlungsenergie, die in Fig. 12 als Strahlungsleistung bezeichnet ist, so wie sie ist gemäß der gestrichelten Linie in Fig. 12 ohne Kompensation in die Temperatur umgesetzt wird, würde dies eine Temperatur von ungefähr 1700°C angeben.

Das bedeutet, dieses Temperaturausgangssignal entspricht ungefähr der Temperatur im mittleren Bereich und führt zu einem Fehler von ungefähr +200°C relativ zu der Temperatur von 1500°C am Kopfende, so daß man eine genaue Temperaturverteilung innerhalb des Ofens verfehlt und eine Unregelmäßigkeit bei der Behandlungstemperatur der isostatischen Heißpreßeinrichtung hervorgerufen wird. Ein derartiger Fehler kann jedoch durch Kompensation ausgeräumt werden.

Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Rohren mit geschlossenem Ende und unterschiedlicher Länge in dem Hochdruckofen der isostatischen Heißpreßeinrichtung angeordnet, wobei die Wärmestrahlung von der Innenwand der Rohre mit geschlossenem Ende an der Öffnung der Rohre erfaßt bzw. gemessen und mathematisch verarbeitet wird. Der Meßfehler für die Temperatur aufgrund des Streulichtes von der Seitenwand der Rohre mit geschlossenem Ende wird kompensiert, um nur die Wärmestrahlung vom Kopfende der Rohre mit geschlossenem Ende für die Messung der Temperaturverteilung innerhalb des Ofens zu nehmen. Dementsprechend kann der Meßfehler bei der Temperatur aufgrund des Streulichtes von den Seitenwänden der Rohre mit geschlossenem Ende verringert und dadurch die Meßgenauigkeit verbessert werden, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens der isostatischen Heißpreßeinrichtung erreicht werden kann.

Meßfehler der Temperatur aufgrund von Verunreinigungen auf der Einfalls-Endfläche der optischen Faser werden ausgeglichen, ohne daß die Fasern gereinigt werden müßten.

Bei einer Ausführungsform zum Ausgleichen solcher Meßfehler wird Referenzlicht von einer Referenzlichtquelle moduliert und in zwei Richtungen aufgeteilt, von denen die eine überwacht wird und die andere durch eine zusätzliche optische Faser hindurchgeht und von deren Endfläche zur Einfalls-Endfläche der dem Target gegenüberliegenden optischen Faser für die Temperaturmessung abgestrahlt wird. In diesem Falle geht die Strahlungsenergie von dem Target auch als Lichtsignal zu der gegenüberliegenden Endfläche der optischen Faser für die Messung und wird dann zusammen mit dem Referenzlicht durch die optische Faser für die Messung übertragen bzw. hindurchgelassen und dann herausgenommen.

Die so übertragene und abgegriffene Energie wird in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz getrennt und durch entsprechende synchronisierte Lock-in-Verstärker ausgegeben. Dann werden die Strahlungsenergie des Targets, die durch die Einfalls-Endfläche der dem Target gegenüberliegenden optischen Faser für die Messung hindurchgeht, und die Intensität des Lichtes, das durch die Ausgangs-Endfläche der optischen Faser für Referenzlicht und die Einfalls-Endfläche der optischen Faser für die Temperaturmessung hindurchgeht, gemessen und mit der Stärke des überwachten Lichtes verglichen, so daß die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor einschließlich des optischen Abfalles an der Einfalls-Endfläche der optischen Faser für die Temperaturmessung bestimmt werden kann. Genauer gesagt, die Intensität Ir_B des Lichtes, das durch die Endfläche der optischen Faser für das Referenzlicht hindurchgelassen wird und mit einer Winkelfrequenz Wr moduliert wird, läßt sich in nachstehender Weise darstellen:

wobei der Reflexionsfaktor ρ und der Absorptionsfaktor α für beide Endflächen der optischen Faser zur Temperaturmessung als identisch angenommen werden, da sie sich in derselben Atmosphäre befinden; das Symbol I bezeichnet die Intensität des Referenzlichtes, und ω bezeichnet die Intensität des Signallichtes aufgrund der Strahlungsenergie von dem Target.

Weiterhin läßt sich die Intensität Ir_A des Referenzlichtes, das durch die Endfläche der optischen Faser zur Temperaturmessung hindurchgeht, folgendermaßen darstellen:

Andererseits läßt sich die Intensität Is_A der Strahlungsenergie von dem Target, die durch die Endfläche der optischen Faser für die Temperaturmessung hindurchgeht, in nachstehender Weise darstellen:

Dementsprechend läßt sich die Intensität Is des Lichtes, das von der optischen Faser zur Temperaturmessung auf einen optischen Detektor auftrifft und mit einer Winkelfrequenz ω_s moduliert wird, folgendermaßen darstellen:

Aus den obigen Berechnungen lassen sich die Ausgangssignale, aufgeteilt auf die jeweiligen Frequenzen, die von den jeweiligen Lock-in-Ver stärkern abgegeben werden, d. h. das Ausgangssignal E1 aufgrund des Signallichtes von dem Target, das Ausgangssignal E2 des Referenzlichts, das durch die optische Faser für die Temperaturmessung hindurchgelassen wird, und das Ausgangssignal E3 des überwachten Referenzlichtes, in der nachstehenden Weise darstellen:

wobei π das Verhältnis zwischen dem Umfang eines Kreises und seinem Durchmesser angibt.

Dann kann man durch Eliminieren von I und (1 - ρ - α) aus den obigen Gleichungen (25), (26) und (27) die nachstehende Beziehung (28) erhalten:

Auf diese Weise kann mit der Durchführung der Berechnung für die Gleichung (28) in einer herkömmlichen Operationsschaltung ein Meßfehler der Temperatur aufgrund von Verunreinigungen auf der Endfläche der optischen Faser ausgeglichen und die wahre Temperatur auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.

Eine spezielle Ausführungsform der Ausgleichs- oder Kompensationsschaltung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 näher erläutert. Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausgleichen des Einflusses von Verunreinigungen auf der Einfall-End fläche der optischen Faser. Dabei sind folgende Baugruppen vorgesehen: Eine optische Verzweigung bzw. ein optischer Teiler 61, der aus einem Halbspiegel besteht, optische Modulatoren 62, 63, eine Referenzlichtquelle 64, Lichtdetektoren 65, 66, Lock-in-Verstärker 67, 68, 69, eine Temperaturanzeigeeinrichtung, eine optische Faser F2 für Referenzlicht, und ein Target M, mit dem die jeweilige Temperatur gemessen wird. Das Referenzlicht wird von der Referenzlichtquelle 64 mit einer Frequenz fr in dem optischen Modulator 62 moduliert und dann in zwei Richtungen von dem Lichtteiler 61 aufgeteilt, von denen eine mit dem Lichtdetektor 65 überwacht wird und die andere durch die optische Faser F2 hindurchgeht, die für das Referenzlicht vorgesehen ist, und dann von ihrer Ausgangs-Endfläche B zur Einfall-Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung abgestrahlt wird.

Dann durchdringt das Referenzlicht die Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung, wird in dem optischen Modulator 63 moduliert und danach von dem Lichtdetektor 66 erfaßt und gemessen. Wenn andererseits das Signallicht aufgrund der Strahlungsenergie von dem Target M die Endfläche A der optischen Faser F1 für die Temperaturmessung durchdringt, wird es in dem optischen Modulator 63 mit der Frequenz fs moduliert und dann vom Lichtdetektor 66 in gleicher Weise wie oben erfaßt und gemessen. Das von den Lichtdetektoren 65, 66 abgetastete Licht wird in die jeweiligen Lock-in-Verstärker 67, 68, 69 eingegeben. Da der Lock-in-Verstärker 67 mit dem optischen Lichtmodulator 63 synchronisiert ist und die Lock-in-Verstärker 68 und 69 mit dem optischen Lichtmodulator 62 synchronisiert sind, erhält man Signale, die durch die jeweiligen Frequenzen geteilt sind.

Von diesen liefert der Lock-in-Verstärker 67 ein Ausgangssignal E1, der Lock-in-Verstärker 68 ein Ausgangssignal E2 und der Lock-in-Verstärker 69 ein Ausgangssignal E3.

Dementsprechend wird die Intensität des Signallichtes von dem Target M auf der Basis der jeweiligen Ausgangssignale in herkömmlicher Weise in Schaltungen für mathematische Operationen verarbeitet und in der jeweiligen Anzeigeeinrichtung Dsp angezeigt.

Da das Referenzlicht von der zusätzlichen optischen Faser F2 zur Einfall-Endfläche der dem Target M gegenüberliegenden, für die Temperaturmessung vorgesehenes optischen Faser F1 gestrahlt und die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor durch die Intensität des Referenzlichtes bestimmt wird, das durch die gegenüberliegende Endfläche A hindurchdringt, und da Verunreinigungen an der Endfläche A gemessen werden, um die optische Information des Targets M zu kompensieren, ist es nicht erforderlich, die optische Faser abzuwischen, zu reinigen oder sonstwie zu säubern, und es kann eine stabile Temperaturmessung für eine lange Zeitdauer bei hoher Genauigkeit aufrechterhalten werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Fälle, in denen es schwierig oder unmöglich ist, die verunreinigte Endfläche der optischen Faser für Meßzwecke von außerhalb des Hochtemperatur- und Hochdruckofens zu reinigen.

Bei einer zweiten Ausführungsform für die Kompensation von durch Verunreinigungen verursachten Fehlern wird das Referenzlicht direkt in die optische Faser zu Meßzwecken eingeleitet, ohne eine zusätzliche optische Faser, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, dafür zu verwenden. Genauer gesagt, es wird eine Referenzlichtquelle separat von dem Target angeordnet, und das Licht von dieser Lichtquelle wird verwendet, um die Verunreinigung auf der Endfläche der optischen Faser zu messen bzw. zu erfassen. Wie oben dargelegt wird das Licht von der Referenzlichtquelle zuerst mit einem optischen oder Lichtmodulator moduliert und dann mit einem optischen Teiler aufgeteilt, wobei der eine Teil mit dem Lichtdetektor überwacht wird und der andere Teil durch die Endfläche der zur Temperaturmessung vorgesehenen optischen Faser entgegengesetzt zu der dem Target gegenüberliegenden Einfall-End fläche, eintritt, und das Reflexionslicht von der gegenüberliegenden Oberfläche des Targets wird aufgenommen.

In diesem Falle wird das Reflexionslicht von dem Target zusammen mit der Strahlungsenergie von dem Target durch die für die Temperaturmessung vorgesehenen optischen Faser aufgenommen, wobei das Referenzlicht und das Signallicht jeweils mit der vorgegebenen Frequenz moduliert werden und die Intensität des Reflexionslichtes gemessen werden kann, indem man das Signal abtastet, das der relevanten Frequenz entspricht, so daß der Reflexionsfaktor an der Endfläche zur Temperaturmessung vorgesehenen optischen Faser durch die Intensität des überwachten Lichtes bestimmt werden kann. Der Reflexionsfaktor ρ an der Endfläche läßt sich darstellen als:

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:
V2 = Intensität des Reflexionslichtes, das durch die optische Faser hindurchgeht, V3 = Intensität des überwachten Lichtes.

Dementsprechend ist der Transmissionsfaktor gegeben durch die folgende Beziehung:

Unter Berücksichtigung der obigen Darlegungen wird die Strahlungsenergie von dem Target, dessen Temperatur zu messen ist, aufgrund des so erhaltenen Transmissionsfaktors in herkömmlichen Temperaturverarbeitungsschaltungen berechnet, um ein Signal nach der so erfolgten Kompensation zu erhalten, und die kompensierte Temperatur kann zur Anzeige gebracht werden.

Eine bevorzugte Vorrichtung für die vorstehend beschriebene Messung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 14 näher erläutert. Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform mit einer derartigen Kompensationsschaltung, die eine optische Faser F zur Temperaturmessung und eine Referenzlichtquelle P als wesentliches Teil aufweist, um Verunreinigungen auf der Einfall-Endfläche A der optischen Faser F zu messen. Das Licht der Referenzlichtquelle ρ wird mit einer Frequenz fr in einem optischen Modulator oder Chopper 78 moduliert, mit einer optischen Verzweigung oder einem optischen Teiler 72, der aus einem Halbspiegel besteht, in zwei Teile aufgeteilt, von denen einer von einem optischen Detektor 76 überwacht wird und der andere durch den optischen Teiler 71 hindurchgeht, der sich an der Endfläche B gegenüber der Endfläche A der optischen Faser F gegenüber dem Target M befindet, und durch die Endfläche B in die zur Temperaturmessung vorgesehenen optischen Faser F eintritt.

Das in die optische Faser F eingetretene Referenzlicht wird an der Endfläche A der optischen Faser F, die dem Target M gegenüberliegt, reflektiert, durchläuft wieder den optischen Teiler 71, wird mit einer Frequenz fs in dem optischen Modulator 74 moduliert und tritt dann in den optischen Detektor 75 ein.

Andererseits tritt die Strahlungsenergie von dem Target M an der Endfläche A ein, geht durch die optische Faser F und den optischen Teiler 71 hindurch, wird mit der Frequenz fs moduliert und tritt dann in den optischen Detektor 75 in gleicher Weise wie das Modulationssignal für das Referenzlicht ein.

In der Zeichnung sind Lock-in-Verstärker 77, 78, 79 gezeigt, von denen der Lock-in-Verstärker 77 mit dem optischen Modulator 74 synchronisiert ist und die Lock-in-Verstärker 78, 79 jeweils mit dem optischen Modulator 73 synchronisiert sind, und sie führen synchron eine Gleichrichtung der modulierten Signale durch, die ihnen jeweils mit entsprechenden Frequenzen eingegeben werden.

Betrachtet man nun die Intensität des Lichtes, das in den optischen Detektor 75 und den optischen Detektor 76 eintritt, so läßt sich die Intensität Ir des Lichtes, das in den optischen Detektor 76 eintritt, folgendermaßen darstellen:

wobei Symbol I die Intensität des Referenzlichtes bezeichnet.

Andererseits ist die Intensität Is des Lichtes, das in den optischen Detektor 75 eintritt, gegeben durch die folgende Beziehung:

Dementsprechend läßt sich das Ausgangssignal E1 vom Lock-in-Verstärker 77 darstellen als:

Das Ausgangssignal E2 vom Lock-in-Verstärker 78 läßt sich darstellen als:

Das Ausgangssignal E3 vom Lock-in-Verstärker 79 läßt sich darstellen als:

Dementsprechend läßt sich durch Eliminieren von I und ρ aus den Gleichungen (33), (34) und (35) die nachstehende Gleichung (36) erhalten:

Damit wird die Signalintensität W des Targets erhalten, um eine genaue Temperaturmessung zu ermöglichen. In den vorstehenden Gleichungen bezeichnen ω_r eine Modulationswinkelfrequenz für das Referenzlicht, ω_s eine Modulationswinkelfrequenz für das Signallicht, wobei die Beziehungen ω_r = 2 π fr, ω_s = 2 π fs gelten, und π das Verhältnis des Umfanges eines Kreises zu seinem Durchmesser.

Die Berechnung für die Gleichung (36) erfolgt in einer Rechenschaltung 28 gemäß Fig. 14, und die Resultate werden auf der Anzeigeeinrichtung Dsp angezeigt. Außerdem kann durch Polarisieren des Referenzlichtes bei der obigen Messung der spektrale Reflexionsfaktor ρ π an der Endfläche A der Faser F bestimmt werden, was für die spektrale Messung des Targets extrem nützlich ist.

Fig. 15 zeigt eine andere Ausführungsform zur Kompensation des Einflusses von Verunreinigungen auf der Endfläche der optischen Faser, wobei das Lichtsignal von dem Target ohne Modulation abgetastet wird, so daß der Aufbau der Abtastschaltung vereinfacht wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 15 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Anordnung gemäß Fig. 14, mit der Abweichung, daß die Lock-in-Ver stärker 77, 78, 79 aus Fig. 14 ersetzt sind durch Synchron-Gleich richterschaltungen 85, 86 und der optische Modulator unterhalb der optischen Faser in Fig. 14 bei dieser Ausführungsform ersetzt ist durch-einen optischen Teiler 82. Geteiltes Licht der jeweiligen Wellenlängen tritt in einen Detektor 83 für die Strahlungsenergie vom Target M und in einen Detektor 84 für das Reflexionslicht an der Endfläche ein. Das Ausgangssignal von letzterem wird über die Synchron-Gleich richterschaltung 86 in eine Rechenschaltung 90 zur Kompensation des Einflusses von Verunreinigungen auf der Endfläche eingegeben, wo es mathematisch verarbeitet wird zusammen mit der Intensität des Lichtes, das von dem Referenzlichtdetektor 87 kommt, durch die Synchron-Gleich richterschaltung 85 und der Intensität des abgezweigten Lichtes von dem Target und über den Detektor zur Messung der Strahlungsenergie, wobei dann eine Kompensation mit dem Ausgangssignal von dem Detektor zur Messung der Strahlungsenergie erfolgt und danach mit einer Temperatursignal-Wandlereinrichtung in ein Temperatursignal umgewandelt wird, das auf der Anzeigeeinrichtung Dsp zur Anzeige gebracht wird.

Da die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsfaktor einschließlich des Abfalles der Lichtmenge an der Einfall-Endfläche der optischen Faser bestimmt wird, indem man die Referenzlichtquelle verwendet und die optische Information damit kompensiert bzw. korrigiert, kann die Temperatur in dem Hochtemperatur- und Hochdruckofen der isostatischen Heißpreßeinrichtung mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne daß ein unerwünschter Effekt durch die Verunreinigung der Einfall-Endfläche der zur Messung vorgesehenen optischen Faser auftritt, so daß keine mühsamen und schwierigen Wisch- oder Reinigungsarbeiten erforderlich sind, um die Endfläche der optischen Faser zu warten.

Claims

1. Temperaturmeßvorrichtung einer einen Hochdruckofen aufweisenden isostatischen Heißpreßeinrichtung, wobei der Hochdruckofen mittels einer Abdeckung verschließbar ist und im Inneren eine Wärmeisolierschicht und eine Heizeinrichtung aufweist, mit einem an seinem äußeren Ende geschlossenen und mit diesem von der Abdeckung in den Hochdruckofen ragenden Rohr, welches eine Fokussiereinrichtung enthält, und mit einem opto-elektronischen Detektor, der das von der Innenwand des Rohres thermisch abgestrahlte Licht mißt und der zum Auswerten der Meßdaten mit einem Rechner elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung das an seinem äußeren Ende geschlossene und mit diesem von der Abdeckung in den Hochdruckofen ragende Rohr (32) und mehrere weitere an ihrem äußeren Ende geschlossene, mit diesem von der Abdeckung in den Hochdruckofen ragende und jeweils eine Fokussiereinrichtung enthaltende Rohre (32) unterschiedlicher Länge aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind und an deren offenem Ende jeweils eine optische Faser (36), ein Bündel von optischen Fasern, ein stabförmiges optisches Element oder ein Lichtleiter angeordnet ist, der das von der Innenwand der Rohre thermisch abgestrahlte Licht auf jeweils einen auf die Wellenlänge dieses Lichtes abgestellten außerhalb des Hochdruckofens angeordneten opto-elektronischen Detektors (39) leitet, von denen jeder einzelne mit dem Rechner (41a), der aus den Meßdaten mehrerer opto-elektronischer Detektoren (39) korrigierte Temperaturen berechnet, elektrisch verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge zwischen 0.3.10^-6 m und 0.6.10^-6 m beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern (36), das Bündel von optischen Fasern, das stabförmige optische Element oder der Lichtleiter mit Metall oder einer Metallegierung beschichtet oder überzogen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die Metallegierung aus einem oder mehreren der Metalle Fe, Ti, Cu, Zn, Pb, Sn, Al, Cr, Co, Ni, Mo, W, Pd, oder Pt besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtungen oder Meßvorrichtung Kollimatoren aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Öffnung der Rohre (32) Halterungen für die optischen Fasern (36), das Bündel von optischen Fasern, das stabförmige optische Element oder den Lichtleiter vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische Element eine Quarzglasstange ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige optische Element eine Saphirstange ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektronischen Detektoren (39) Strahlungsthermometer aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (32) aus wärmebeständigem Material bestehen.