DD154313A1 - Verfahren und einrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchfuehrung von Beruehrungslosen, emissionsgradabhaengigen Temperaturmessungen auf der Basis der Strahlungspyrometrie, wobei die Erfindung in allen Zweigen der Volkswirtschaft Anwendung findet. Ziel der Erfindung ist es, den Einsatz sowohl im Hoch- als auch im Niedertemperaturbereich zu ermoeglichen, wobei ein Minimum an Vorbedingungen und Vorinformationen erforderlich ist. Die Aufgabe besteht darin, eine wahre Objekttemperaturbestimmung auch bei ungenauer Kenntnis und/oder veraenderlichem Emissionsgrad zu ermoeglichen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mit einer in mehreren Spektralbereichen empfindlichen pyrometrischen Anordnung nacheinander die Bandsignale einer Messobjektstrahlung ohne und mit einer Hilfsstrahlung bekannter spektraler Zusammensetzung, die an der Messobjektoberflaeche reflektiert wird, als Eingangsgroessen aufgenommen und in einen Rechner eingegeben werden. Der Rechner verknuepft die Eingangsgroessen derart, dass die unbekannten Groessen, wie wahre Objekttemperatur und spektrale Emissionsgrade, durch iterative Loesung eines nichtlinearen Gleichungssystems ermittelt werden.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Temperaturmessung auf der Basis der Strahlungspyrometrie, wobei die Erfindung in allen Zweigen der Volkswirtschaft Anwendung findet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

¥/ährend der Nachweis relativer Teraperaturänderungen mit pyrometrischen Meßeinrichtungen kaum ein Problem darstellt, stößt die absolute TemperaturbeStimmung mit rein pyrometrisehen Mitteln noch auf erhebliche Schwierigkeiten, die insbesondere dadurch hervorgerufen werden, daß keine bzw, ungenaue Kenntnisse über den Emissionsgrad der Meßobjekte unter konkreten Meßbedingungen vorhanden sind. Während die Gesamt-, Band- und Spektralpyrometer nur bei bekanntem und zeitlich konstantem Emissionsgrad durch entsprechende Korrektur des Meßwertes die wahre Temperatur bestimmen können, ist mit Verhältnispyrometern bzw. Farbpyrometern die wahre Temperatur auch an Meßobjektoberflächen mit veränderlichem Emissionsgrad bestimmbar, solange es sich um einen "Grauen Körper" handelt. Letzteres ist aber nur in wenigen Ausnahmefällen gegeben (Lieneweg: Handbuch, Technische Temperaturmessung,

Vieweg-Verlag 1976, S. 314 -318).

Ferner sind pyrometrische Meßeinrichtungen bekannt, die mit Hilfe der Aufprojektion eines Hilfsstrahlers über die Messung des Reflexionsgrades die wahre Temperatur ermitteln. Hierbei ist das Vorhandensein einer regulären Reflexion und einer bestimmten festen geometrischen Anordnung zwischen pyrometrischer Meßeinrichtung, Hilfsstrahler und Meßobjektoberfläche erforderlich. Dies ist aber nur in einigen Spezialfallen gegeben (Tingwaldt, C: Ein einfaches optisches Verfahren zur direkten Ermittlung wahrer Temperaturen glühender Metalle, Z. Metallkunde 51 (I960) 2, S. 116 - 119; Kellsall, D.: An automatic emissivity compensated radiation pyrometer J. Sei. Instr. 40 (1963), S. 1 - 4; Preisleben, R.: Pyrometrische Messungen an Glühkatoden mit poröser Oberfläche, Int. Kolloquium der TH Ilmenau (1965), Vortragsreihe Meßtechnik, H. 9, S. 17 - 23); Svet (Offenlegungsschrift 1648233, 1972, 42 i, 8/60) schlägt die Verwendung von verschiedenen temperaturinvarianton Größen zur Kompensation des Emissions- und Transmissionsgradeinflusses vor, v/obei mehrere Spektralbereiche benutzt werden.

Das von Svet vorgeschlagene Verfahren eignet sich nur für den Hochtemperaturbereich, wenn die Wiensche Näherung gilt und wenn genügend Vorinformationen über den Verlauf des Emissionsgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge vorliegen. Die Vorinformationen müssen am Objekt nachgewiesen sein, sonst ergeben sich Fehlmessungen, die man als solche nicht erkennen kann (Svet: BffiKO VIII S. 13 - 5 bis S· 13 - 11, Die Probleme der Strahlungspyrometrie und einige neue Möglichkeiten ihrer Lösung, 1979),

Ziel der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die erwähnten Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen.

Der nützliche Effekt bei Anwendung der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß der Einsatz im Hoch- und Niedertemperaturbereich möglich ist. Weiterhin entfallen die verschiedenen Bedingungen, die beim Einsatz der bekannten Verfahren und Einrichtungen gestellt werden müssen. So ist beispielsweise keine reguläre Reflexion und keine feste geometrische Anordnung zwischen pyrometrischer Meßeinrichtung, Hilfsstrahler und Meßobjektoberfläche erforderlich. Weiterhin brauchen die Vorinformationen über den Verlauf des spektralen Emissionsgrades nicht am Objekt nachgewiesen zu sein, um eindeutige Meßergebnisse zu erhalten. Ferner ist eine Anwendung außerhalb des Gültigkeitsbereiches der Wienschen Näherung gegeben, so daß das erfindungsgemäße Verfahren als das bisher am universellsten einsetzbare gelten kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wahre Objekttemperaturbestimmung bei ungenauer Kenntnis und/oder veränderlichem Emissionsgrad bei monotonem Verlauf des spektralen Emissionsgrades ohne feste geometrische Zuordnung zwischen Objekt, pyrometrischer Meßeinrichtung und Hilfsstrahler sowohl im Hoch- als auch im Niedertemperaturbereich zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels einer in mehreren Spektralbereichen empfindlichen pyrometrischen Anordnung nicht nur die Bandsignale der Meßobjektoberfläche als Eingangssignale für einen Rechner verwendet werden, sondern auch die Strahlung der Meßobjektumgebung oder eine sie charakterisierende Größe, wie z. B. die Umgebungstemperatur. Ist die Uingebungsstrahlung gegenüber der Meßobjektstrahlung vernachlässigbar, wird eine Hilfsstrahlung bekannter spektraler Zusammensetzung, die ebenfalls wie die Umgebungsstrahlung über das Meßobjekt in die pyrometrische Meßeinrichtung reflektiert wird, verwendet.

hied zu den bekannten Verfahren, die Hilfsstrahler

werden nur die Reflexionsgradverhältnisse der einktralbereiche bestimmt, wodurch keine feste geo-Anordnung und keine reguläre Reflexion erforderlich

Bei multispektralen Strahlungsmessungen erscheint mit jedem spektralen oder Bandmeßwert eine neue Unbekannte, der spektrale oder Bandemissionsgrad. Ein Informationsgewinn ergibt sich nur, wenn Angaben über die Verknüpfung der Emissionsgrade in den einzelnen Spektralbereichen vorliegen bzw. die Wellenlängenabhängigkeit bekannt ist. Der Spezialfall dafür ist das einfache Verhältnispyrometer mit E^ = ^₂*

Das Prinzip der Verhältnispyrometrie kann als Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems der Form

U₁ -f (S₁, X₁, T₀, T_u) U₂ « f (C₂, Λ₂> T₀, t_u)

aufgefaßt werden, wobei aus den bekannten Größen U (Bandsignal) , Л(effektive Wellenlänge) und T_u (Umgebungstemperatur) die unbekannte Objekttemperatur T und der Emissionsgrad £ ermittelt werden können (zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten)·

Die übliche Verhältnisbildung führt im Niedertemperaturbereich nicht zum Ziel, da das Verhältnissignal nicht unabhängig vom Emissionsgrad und der Umgebungstemperatur nach der Objekttemperatur kalibriert werden kann. Es muß deshalb das nichtlineare Gleichungssystem gelöst werden.

Das Prinzip der Verhältnispyrometrie läßt sich auf M Spektral- oder Bandmessungen erweitern. Es sind dann H^M Unbekannte ermittelbar: Die Objekttemperatür und eine mit (N - 1) Parametern beschreibbare Wellenlängcnabhängigkeit des

ssionsgrades (ζ. В»£=а+ЬД+сЛ + . ..χΛ ). Der

präparierte Meßraum kann als Aufprojektion einer bekannten Strahlung aufgefaßt v/erden. Bei Messungen in drei Spektralbereichen wird damit die Aussage möglich, ob das Objekt in diesen Bereichen "grau" strahlt und bei 4 Spektralbereichen, ob ein linearer Emissionsgradverlauf vorliegt.

Bei Messungen mit einer aufprojektierten Hilfsstrahlung in zwei Spektralbereichen kann das Reflexionsgradverhältnis ^{v =}$Ί /£? вхв&ЪЪеіЪ werden. Mit den Meßwerten ohne Hilfsstrahlung ist daraus die Objekttemperatur ermittelbar (3 Gleichungen mit 3 Unbekannten). An die geometrische Anordnung und den Reflexionsgrad wird nur die Bedingung gestellt, daß ein genügend genau meßbarer Anteil reflektierter Hilfsstrahlung von der pyrometri sehen Meßeinrichtung erfaßbar sein muß*

Reflexionsgradverhältnismessungen in 3 Spektralbereichen ermöglichen es, die Umgebungstemperatur als Unbekannte zuzulassen bzw. die Präparierung des Meßraumes zu überprüfen.

Die Signalverarbeitung (Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems) erfolgt nach dem Iterationsverfahren und erfordert den Einsatz einer leistungsfähigen Mikrorechentechnik, wobei die Möglichkeit der Speicherung der am "Schwarzen Körper" ermittelten Bandsignalcharakteristiken möglich sein muß. Ferner ist die manuelle Eingabe von spektralen oder Bandemissionsgraden und Emissionsgradverhältnissen zweckmäßig.

Durch Verknüpfung der Bandsignalmeßwerte mit den gespeicherten Werten der Bandsignalcharakteristiken werden mittels des Iterationsverfahrens die wahre Objekttemperatür und der Emissionsgrad ermittelt.

Au sf ührunf?;sbeiso ie 1;

Die pyrometrische Anordnung besitzt drei feste Spektralbereiche. Als Detektor wird ein in drei Spektralbereichen empfindlicher multispektraler Detektor, beispielsweise aus Hg Cd Te - Schichten bestehend, verwendet, wodurch die Aufgliederung der Spektralbereicho erfolgt. Zur Fokussierung der Infrarotstrahlung wird ein Linsen- oder Spiegelobjektiv verwendet. Die Informationsverarbeitung erfolgt mittels eines Ыікгоrechnersysteme. Durch entsprechende Umschaltung sind auch die Anzeige und Korrektur der einzelnen Bandsignale möglich. Die Benutzung von nur zwei Spektralbereiclien ist bei Vorhandensein von "Grauen Körpern" möglich. Bei der Benutzung der drei Spektralbereiche kann der spektrale Emissionsgradverlauf unbekannt sein. Mittels zweier Verhältnisbildungen kann festgestellt werden, ob ein "Grauer Körper" vorliegt. Ist der prinzipielle Verlauf des spektralen Emissionsgrades bekannt, kann durch Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems die wahre Objekttemperatur ermittelt werden«.

In eine Speichereinrichtung können bekannte Größen, wie z. B« EnrLsßionsgrade, -Verhältnisse und -verlaufe, eingegeben v/erden. Ferner können ermittelte Emissioncgrade automatisch gespeichert werden*

Der Rechner wird ferner zur Kompensation des Emissionsgradeinflusoes genutzt.

Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt die pyrometrische Anordnung vier feste Spektralbereiche. Hierbei wird ein linearer Emissionsgradverlauf zugelassen, und mit dem vierten Spektralbereich wird die Bestätigung darüber durch Übereinstimmung der ermittelten Objekttemperatüren erzielt.

Ferner ist es möglich, daß die pyrometrische Anordnung drei feste Spektralbereiche besitzt und zusätzlich die Benutzung

eines Hilfsstrahlers vorgesehen wird. Hierbei wird die Umgebungstemperatur als Unbekannte zugelassen. Bei der Benutzung von nur zv/ei Spektralbereichen muß die Umgebungstemperatur bekannt sein. Mittels des Hilfsstrahlers ist zusätzlich eine automatische Nachkalibrierung möglich.

Claims (4)

Erfindungsanspruch

1. Verfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur berührungslosen, eraissionsgradunabhängigen Temperaturmessung, gekennzeichnet dadurch, daß mit einer in mehreren Spektralbereichen empfindlichen pyrometrischen Anordnung nacheinander die Bandsignale einer Meßobjektstrahlung ohne und mit einer Hilfsstrahlung bekannter spektraler Zusammensetzung, die an der Meßobjektoberfläche reflektiert wird, als Eingangsgrößen aufgenommen und in einen Rechner eingegeben werden, v/o eine Verknüpfung derart erfolgt, daß die spektralen Reflexionsgradverhältnisse der Meßobjektoberfläche errechnet und gemeinsam mit allen Bandsignalen sowie den gespeicherten Bandsignalcharakteristiken der einzelnen Spektralbereiche, welche am Schwarzen Strahler ermittelt wurden, als bekannte Größen eines nichtlinearen Gleichungssystems benutzt werden, wobei die Lösung des Gleichungssystems mittels eines Iterationsverfahrens erfolgt und die unbekannten Größen, wie wahre Objekttemperatur und spektrale Emissionsgrade, ermittelt werdene

2. Verfahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle einer gesonderten Hilfsstrahlung die Strahlung der Meßobjektumgebung benutzt und eine sie charakterisierende Größe, wie z, B, die Umgebungstemperatur als Eingangsgröße, für den Rechner verwendet wird und im Rechner durch den gleichen Verknüpfungsalgorithmus die unbekannten Größen, wie wahre Objekttemperatur und spektrale Emissionsgrade, ermittelt werden.

3· Verfahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß bekann-.te Größen, ѵ&е ζ. B. Emissionsgrade, Emissionsgradverhältnisse und -verlaufe, in den Rechner eingegeben v/erden.

4· Verfahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verknüpfung durch den Rechner derart erfolgt, daß die

Intensitätßverhäitnicse jeweils bzw. zweier Bandsignale ermittelt und verglichen v/erden, wobei beim Vorliegen gleicher ermittelter Objekttemporatüren auf das Vorhandensein eines "Grauen Körpers" und auf die wahre Objekttemperatur geschlossen wird.

Vez'fahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rechner der pyrometrisehen Anordnung zusätzlich zur Kompensation des Gehäusetemperatureinflusses und in Verbindung mit dem Hilfsstrahler, der für die Objekttemperatürbestimmung benutzt wird, zur automatischen Hachkalibrierung der pyrometri sehen Anordnung verwendet τ/ird sowie die Speicherung bekannter und gemessener Emissionsgrade erlaubt.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine in mehreren Spektralbereichen empfindliche pyrometrisehe Anordnung eine Einrichtung zur Selektierung der Spektralbereiche enthält, welche z< B» aus Piltem oder Prismen oder einem Gittermonochromator besteht, wobei die Einrichtung einen Strahlungsdetektor in Ein- oder Mehrkanalausführung; aufweist oder einen in mehreren Spektralbereichen selektiven Strahlungsdetektor enthält, wie z. B. einen aus mehreren Schichten bestehenden Hg Gd Te - Detektor und mit einem Rechner zusammengeсehaltet ist, wobei ein Hilfsstrahler so angeordnet ist, daß die pyrometrische Anordnung neben der Strahlung des Ließobjektes auch die an ihr reflektierte Strahlung des Hilfsstrahlers erfaßt.

Einrichtung nach Pkt. 6, gekennzeichnet dadurch, daß außerdem die Anzeige der einzelnen Bandsignale bzw. die ihnen entsprechenden Strahlungstemperaturen sowie deren Korrektur mittels einer Emissionsgradeinstellung wahlweise lind umschaltbar in der pyrometrischen Anordnung enthalten Bind ♦