DE3806173A1

DE3806173A1 - Pyrometric measuring device

Info

Publication number: DE3806173A1
Application number: DE3806173A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Struss
Original assignee: Heimann GmbH
Current assignee: STRUSS, ORTWIN, 65203 WIESBADEN, DE
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1989-09-07

Abstract

It is intended to provide a pyrometric measuring device which delivers good measuring results on both smooth and rough material surfaces. Two measuring devices (3, 4) are directed towards a common measuring position (2) in such a way that they detect two different ambient radiation power values. The ambient radiations can vary in any way during the measuring process. The elimination of the ambient radiations is achieved by means of difference formation. <IMAGE>

Description

Ein Körper, dessen Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunk tes von -273°C liegt, sendet eine elektromagnetische Strahlung aus. Die Intensitätsverteilung dieser Strahlung über die Wel lenlänge ist durch die Strahlungsgesetze von Planck beschrie ben. Die insgesamt ausgestralte Energie ist auch von den Ma terialeigenschaften des aussendenden Materials und von dessen Oberfläche abhängig. Beide Parameter zusammen ergeben den Emis sionsgrad, der definitionsgemäß kleiner als "1" ist. Die aus gesendete Energie ist somit um einen bestimmten Faktor kleiner als die eines Planck'schen Strahlers. Mit Hilfe eines Meßgerä tes, welches in der Lage ist, diese elektromagnetische Strah lung zu empfangen, kann somit unter Berücksichtigung der Strah lungsgesetze und des Emissionsgrades aus der gemessenen Strah lungsleistung die Temperatur bestimmt werden. Ist ein Material stark reflektierend, d. h. der Emissionsgrad gering, so ist ein großer Teil der von dem Meßgerät empfangenen Strahlung Strah lung, die über Reflexion an der Meßobjektoberfläche von der Um gebung eingespiegelt wird. In diesem Falle ist es sehr schwie rig, aufgrund der empfangenen Strahlung die Objekttemperatur zu bestimmen.A body whose temperature is above absolute zero tes of -273 ° C, sends an electromagnetic radiation out. The intensity distribution of this radiation over the world Lenlength is described by Planck's radiation laws ben. The total energy emitted is also from the Ma material properties of the sending material and its Surface dependent. Both parameters together make up the emis degree of definition, which is by definition less than "1". The out transmitted energy is therefore a certain factor smaller than that of a Planckian radiator. With the help of a measuring device tes that is capable of this electromagnetic beam receiving, can thus take into account the beam laws and the emissivity from the measured beam power the temperature can be determined. Is a material highly reflective, d. H. the emissivity is low, so large part of the radiation Strah received by the measuring device development, which is caused by reflection on the surface of the measurement object is reflected. In this case it is very difficult rig, due to the radiation received, the object temperature determine.

Um dieses Problem zu lösen, wird versucht mit Verfahren, in denen bei zwei oder mehreren Wellenlängen gemessen wird, den Einfluß des Emissionsgrades zu eliminieren. Es gibt auch Ver fahren, bei denen alternierend ein Lichtstrahl auf die Ober fläche des Meßobjektes projiziert wird, um den Strahlungsan teil, den dieser Lichtstrahl erzeugt, zur Emissionsgradbestim mung zu benutzen. Es gibt weitere Verfahren, die ebenfalls mit mehreren Wellenlängen messen, die durch iterative Bestimmung das Wien'sche Maximum in der Verteilung suchen, und hierüber die Temperatur zu bestimmen suchen. Alle bisherigen Verfahren sind fehlerbehaftet, weil der Emissionsgrad von realen Objek ten, die stark spiegeln - die sind vor allen Dingen Metalle -, über die Wellenlänge und die Temperatur nicht konstant ist. Der Emissionsgrad ist außerdem stark abhängig von der Obrflächen beschaffenheit. Ein sehr glattes Material, welches einen sehr niedrigen Emissionsgrad hat, hat gleichzeitig eine stark ge richtete Reflexion. Ein Material mit einer angerauhten Ober fläche hat einen höheren Emissionsgrad und weist gleichzeitig eine sehr diffuse Reflexion auf. Mit Mehrwellenlängenverfahren kann eine recht gute Näherung bei einer stark streuenden Ober fläche gefunden werden, mit einem alternierenden Lampenein blendverfahren eine recht gute Näherung bei stark gerichtet reflektierender Reflexion gefunden werden.In order to solve this problem, attempts are made with procedures in which is measured at two or more wavelengths Eliminate the influence of emissivity. There are also ver drive, alternating with a beam of light on the upper area of the measurement object is projected to the radiation part that this light beam generates to determine emissivity mung to use. There are other procedures that are also available measure multiple wavelengths by iterative determination search for the Wien maximum in the distribution, and about it try to determine the temperature. All previous procedures are flawed because the emissivity of real objects that reflect strongly - above all they are metals -, is not constant over the wavelength and temperature. The Emissivity is also strongly dependent on the surface nature. A very smooth material, which is very has low emissivity, at the same time has a strong ge aimed reflection. A material with a roughened upper area has a higher emissivity and shows at the same time a very diffuse reflection. With multi-wavelength method can be a pretty good approximation with a strongly scattering upper be found with an alternating lamp blend method a fairly good approximation at strongly directed reflective reflection can be found.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pyrometrische Meßvorrichtung zu schaffen, die sowohl bei glatten als auch bei rauhen Materialoberflächen gute Meßergebnisse liefert.The invention has for its object a pyrometric To create measuring device that both smooth and rough material surfaces provides good measurement results.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch zwei pyrometri sche Meßgeräte, die auf eine gemeinsame Meßstelle derart ausge richtet sind, daß durch sie zwei unterschiedliche Strahlungen erfaßt werden, wobei für die Bestimmung der Temperatur der Meß stelle eine Rechenvorrichtung vorhanden ist, die diese Tempera tur aus der Strahlungsleistung nach folgender Formel bestimmt:This object is achieved by two pyrometri cal measuring devices, so out on a common measuring point are directed that through them two different radiations are detected, with the measurement of the temperature being determined represent a computing device is present that this tempera determined from the radiation power using the following formula:

Φ _m = die dem Meßgerät zugeführte Strahlungsleistung
Φ ₀ = Strahlungsleistung, die ein schwarzer Körper der Temperatur T ₀ abgeben würde
Φ _u = Strahlungsleistung der Umgebung,
wobei die Indizes 1 und 2 für zwei Messungen mit unterschied lichen Strahlungsleistungen durch die beiden Meßgeräte gelten. Φ _m = the radiation power supplied to the measuring device
Φ ₀ = radiation power that a black body of temperature T ₀ would give off
Φ _u = radiation power of the environment,
the indices 1 and 2 apply to two measurements with different radiant powers by the two measuring devices.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung löst die ihr zugrundelie gende Aufgabe dadurch, daß die Meßobjekttemperatur mit defi nierten Umgebungsverhältnissen gemessen wird. Die allgemeine pyrometrische Formel, welche besagt, daßThe measuring device according to the invention solves the underlying ing task in that the target temperature with defi environment is measured. The general pyrometric formula which says that

Φ _m = ε ₀, Φ ₀ + (1 - ε ₀) · Φ _u Φ _m = ε ₀ , Φ ₀ + (1 - ε ₀ ) · Φ _u

ist, berücksichtigt auch den über die Reflexion mitgesehenen Anteil der Umgebung. Hierin sind Φ _m die dem Meßgerät zugeführte Strahlungsleistung, ε ₀ der Emissionsgrad des Meßobjektes, Φ ₀ die Strahlungsleistung, die ein schwarzer Körper der Temperatur T ₀ abgeben würde, 1 - ε ₀ = der reflektierte Anteil und Φ _u = die Strahlungsleistung der Umgebung. Für zwei unterschiedliche Um gebungsstrahlungen oder zwei unterschiedliche Objekttempera turen erhält man zwei Gleichungssysteme, die dann lösbar sind, wenn entweder die beiden unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen oder die beiden unterschiedlichen Objekttemperaturen bestimmt werden. Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist vorzugs weise die Methode der unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen benutzt. Durch Auflösung der beiden Gleichungen erhält man so wohl den Emissionsgrad des Objektes als auch seine Temperatur. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es für jede denkbare Wellenlänge anwendbar ist und daß das Verfahren für einen sehr großen Temperaturbereich, vor allem aber im Raum temperatur- bzw. Umgebungstemperaturbereich anwendbar ist. Durch eine solche Meßvorrichtung werden die unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen vorzugsweise auch strahlungstechnisch ge messen, um so den Eigenemissionsanteil der Umgebung zu eliminieren.is also takes into account the part of the environment that is observed via the reflection. Herein, Φ _m are supplied to the measuring device radiant power, ε _{0 is} the emissivity of the measured object, Φ ₀ is the radiant power, which would leave a black body of temperature T _0, 1 - ε ₀ = the reflected fraction and Φ _u = the radiation power of the environment. For two different ambient radiations or two different object temperatures, two equation systems are obtained which can be solved if either the two different ambient radiations or the two different object temperatures are determined. In the measuring device according to the invention, the method of different ambient radiation is preferably used. By solving the two equations, one obtains the emissivity of the object as well as its temperature. The advantage of this method is that it can be used for every conceivable wavelength and that the method can be used for a very large temperature range, but above all in the room temperature or ambient temperature range. By means of such a measuring device, the different ambient radiations are preferably also measured in terms of radiation technology, so as to eliminate the self-emission component of the environment.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strahlungseigenschaften des Meßobjektes bezüglich der Reflexionsstreuung durch eine entsprechende Anordnung automa tisch berücksichtigt werden, daß Emissionsgradschwankungen wäh rend der Messung sofort auskorrigiert werden und daß die Mes sung unabhängig von der absoluten Temperatur der Umgebungs strahlungen ist. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, daß eine dieser Umgebungsstrahlungen gleich der Objekt temperatur ist. Aus dem formelmäßigen Zusammenhang ergibt sich, daß die beiden Umgebungsstrahlungen unterschiedlich sein, je doch keine festen Werte annehmen müssen. Die Temperatur der Um gebungsstrahlungen kann somit während des Meßvorganges beliebig variieren.In the practical implementation of the invention, that the radiation properties of the measurement object with respect to the Reflection scattering by an appropriate arrangement automa be taken into account table that fluctuations in emissivity corrected immediately after the measurement and that the meas solution regardless of the absolute temperature of the environment is radiation. Another variation possibility exists in that one of these ambient radiations is equal to the object temperature is. From the formula, it follows that that the two ambient radiations are different, depending but do not have to assume fixed values. The temperature of the order radiation can thus be arbitrary during the measuring process vary.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail.

In der Zeichnung ist mit 1 das Meßobjekt bezeichnet, dessen Temperatur an der Meßstelle 2 bestimmt werden soll. Zwei Strah lungsthermometer 3, 4 sind auf die Meßstelle 2 ausgerichtet. Ihre Signale werden durch eine Auswertungsvorrichtung 5 ver arbeitet, die die Temperatur der Meßstelle 2 bestimmt und auf einer Anzeigevorrichtung 6 zur Anzeige bringt.In the drawing, 1 denotes the measurement object, the temperature of which is to be determined at measurement point 2 . Two radiation thermometers 3, 4 are aligned with the measuring point 2 . Your signals are processed by an evaluation device 5 , which determines the temperature of the measuring point 2 and displays it on a display device 6 .

Die Meßgeräte 3, 4 erfassen auch die Umgebungsstrahlung aus den Bereichen 7, 8.The measuring devices 3, 4 also detect the ambient radiation from the areas 7, 8 .

Die Temperatur wird aus der gemessenen Strahlungsleistung Φ ₀ nach folgenden formelmäßigen Zusammenhängen bestimmt:The temperature is determined from the measured radiation power Φ ₀ according to the following relationships:

Φ _m = ε ₀ · Φ ₀ + ρ ₀ · Φ _u. Φ _m = ε ₀ · Φ ₀ + ρ ₀ · Φ _u .

ρ ₀ = Reflexionsgrad des Meßobjektes. ρ ₀ = reflectance of the measurement object.

Claims

Pyrometric measuring device, characterized by two pyrometric measuring devices ( 3, 4 ) which are aligned to a common measuring point ( 2 ) in such a way that they detect two different ambient radiations, a computing device ( 5 ) being available for determining the temperature of the measuring point which determines this temperature from the radiant power using the following formula: Φ _m = the radiation power supplied to the measuring device
Φ ₀ = radiation power that a black body of temperature T ₀ would give off
Φ _u = radiation power of the environment,
the indices 1 and 2 apply to two measurements with different radiant powers by the two measuring devices ( 3, 4 ).