DD154313A1

DD154313A1 - METHOD AND DEVICE FOR TOUCH-FREE TEMPERATURE MEASUREMENT

Info

Publication number: DD154313A1
Application number: DD22511980A
Authority: DD
Inventors: Manfred Zimmerhackl; Franz Engel
Original assignee: Manfred Zimmerhackl; Franz Engel
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1980-11-12
Publication date: 1982-03-10

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.The invention relates to a method and a device for carrying out non-contact, emission-level-dependent temperature measurements on the basis of radiation pyrometry, the invention being used in all branches of the economy. The aim of the invention is to enable the use in both the high and in the low temperature range, with a minimum of preconditions and preliminary information is required. The task is to allow a true object temperature determination even with inaccurate knowledge and / or veraenderlichem emissivity. The essence of the invention is that the band signals of a measurement object radiation without and with auxiliary radiation of known spectral composition, which is reflected on the measurement object surface, are recorded as input quantities and input into a computer in succession with a pyrometrical arrangement sensitive to several spectral ranges. The calculator links the input quantities such that the unknown quantities, such as true object temperature and spectral emissivities, are determined by iterative solution of a nonlinear system of equations.

Description

Title of the invention

Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen TemperaturmessungMethod and device for non-contact temperature measurement

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method and a device for carrying out the method for contactless, emission-independent temperature measurement on the basis of the radiation pyrometry, the invention being used in all branches of the economy.

Characteristic of the known technical solutions

¥/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,If the detection of relative changes in teraturatures with pyrometric measuring devices is hardly a problem, the absolute temperature determination with purely pyrometric means still encounters considerable difficulties, which are in particular caused by the fact that no or inaccurate knowledge about the degree of emission of the test objects under specific measuring conditions is available , While the total, band and spectral pyrometers can only determine the true temperature by correcting the measured value with a known and temporally constant emissivity, the true temperature can also be determined on measuring object surfaces with variable emissivity with ratio pyrometers or color pyrometers, as long as it is a " Gray Body "acts. The latter is only given in a few exceptional cases (Lieneweg: Manual, Technical Temperature Measurement,

Vieweg-Verlag 1976, S. 314 -318).Vieweg-Verlag 1976, pp. 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.Furthermore, pyrometric measuring devices are known which determine the true temperature with the aid of the front projection of an auxiliary radiator on the measurement of the reflectance. Here, the presence of a regular reflection and a certain fixed geometric arrangement between pyrometric measuring device, auxiliary radiator and Meßobjektoberfläche is required. However, this is only possible in a few special cases (Tingwaldt, C: A simple optical method for the direct determination of true temperatures of glowing metals, Z. Metallkunde 51 (I960) 2, pp. 116-119; Kellsall, D .: An automatic emissivity compensated radiation Pyrometer J. Sei, Instr 40 (1963), pp. 1 - 4; Preisleben, R .: Pyrometric Measurements on Glow Cathodes with Porous Surface, Int. Colloquium of TH Ilmenau (1965), Lecture Series Metrology, H. 9, p. 17 - 23); Svet (Offenlegungsschrift 1648233, 1972, 42 i, 8/60) proposes the use of different Temperaturinvarianton Größen to compensate for the emission and Transmissionsgradeinflusses before / vbei several spectral ranges are used.

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),The method suggested by Svet is only suitable for the high-temperature range, if the Wien approximation is valid and if there is sufficient advance information on the course of the emissivity as a function of the wavelength. The preliminary information must be verified on the object, otherwise erroneous measurements result, which can not be recognized as such (Svet: BffiKO VIII pp. 13-5 to S · 13-11, The problems of radiation pyrometry and some new possibilities of their solution, 1979) .

Object of the invention

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die erwähnten Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen.The aim of the present invention is to eliminate the mentioned disadvantages of the known technical solutions.

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.The useful effect when using the invention is particularly seen in the fact that the use in the high and low temperature range is possible. Furthermore, eliminates the various conditions that must be set when using the known methods and equipment. For example, no regular reflection and no fixed geometric arrangement between pyrometric measuring device, auxiliary radiator and Meßobjektoberfläche is required. Furthermore, the advance information on the course of the spectral emissivity need not be detected on the object in order to obtain clear measurement results. Furthermore, an application outside the scope of Wien's approximation is given, so that the inventive method can be considered as the most universally applicable so far.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to enable a true object temperature determination with inaccurate knowledge and / or variable emissivity monotonous course of the spectral emissivity without fixed geometric mapping between object, pyrometric measuring device and auxiliary radiator both high and in the low temperature range.

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.According to the invention the object is achieved in that not only the band signals of the Meßobjektoberfläche be used as input signals for a computer by means of a sensitive in several spectral ranges pyrometric arrangement, but also the radiation of the Meßobjektumgebung or a characterizing size such. B. the ambient temperature. If the immersion radiation is negligible relative to the measurement object radiation, an auxiliary radiation of known spectral composition, which is likewise reflected, like the ambient radiation, via the measurement object into the pyrometric measurement device, is used.

hied zu den bekannten Verfahren, die Hilfsstrahlerhied to the known methods, the auxiliary radiator

werden nur die Reflexionsgradverhältnisse der einktralbereiche bestimmt, wodurch keine feste geo-Anordnung und keine reguläre Reflexion erforderlichOnly the reflectance ratios of the einktralbereiche be determined, whereby no fixed geo-arrangement and no regular reflection required

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*With multispectral radiation measurements, a new unknown, the spectral or band emission, appears with each spectral or band measurement value. An information gain results only if information about the linkage of the emissivities in the individual spectral regions is available or the wavelength dependence is known. The special case for this is the simple ratio pyrometer with E ^ = ^ ₂ *

Das Prinzip der Verhältnispyrometrie kann als Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems der FormThe principle of ratio pyrometry can be solved as a solution of a nonlinear equation system of the form

U₁ -f (S₁, X₁, T₀, T_u) U₂ « f (C₂, Λ₂> T₀, t_u)U ₁ -f (S ₁ , X ₁ , T ₀ , T _u ) U ₂ << f (C ₂ , Λ ₂ > T ₀ , 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)·from the known quantities U (band signal), Л (effective wavelength) and T _u (ambient temperature), the unknown object temperature T and the emissivity ε can be determined (two equations with two unknowns)

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.The usual ratio formation does not lead to the target in the low temperature range, since the ratio signal can not be calibrated independently of the emissivity and the ambient temperature according to the object temperature. Therefore, the non-linear system of equations must be solved.

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 desThe principle of ratio pyrometry can be extended to M spectral or band measurements. H ^ M unknowns can then be determined: the object temperature and a wavelength dependency of the wavelength (N - 1) parameter

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

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.Prepared measuring space can be understood as a front projection of a known radiation v / ground. With measurements in three spectral ranges, it is thus possible to make a statement as to whether the object radiates "gray" in these areas and, in the case of 4 spectral ranges, whether there is a linear emissivity gradient.

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*For measurements with a projected auxiliary radiation in two spectral ranges, the reflectance ratio ^{v =} $ Ί / £? вхв & ЪЪеіЪ become. With the measured values without auxiliary radiation, the object temperature can be determined therefrom (3 equations with 3 unknowns). On the geometric arrangement and the degree of reflection only the condition is provided that a sufficiently accurately measurable proportion of reflected auxiliary radiation from the pyrometri see measuring device must be detectable *

Reflexionsgradverhältnismessungen in 3 Spektralbereichen ermöglichen es, die Umgebungstemperatur als Unbekannte zuzulassen bzw. die Präparierung des Meßraumes zu überprüfen.Reflectance ratio measurements in 3 spectral ranges make it possible to allow the ambient temperature as unknown or to check the preparation of the measuring chamber.

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.The signal processing (solution of the nonlinear equation system) takes place after the iteration method and requires the use of a powerful microcomputer technology, whereby the possibility of storing the band signal characteristics determined on the "black body" must be possible. Further, manual input of spectral or band emission levels and emissivity ratios is desirable.

Durch Verknüpfung der Bandsignalmeßwerte mit den gespeicherten Werten der Bandsignalcharakteristiken werden mittels des Iterationsverfahrens die wahre Objekttemperatür und der Emissionsgrad ermittelt.By linking the band signal measured values with the stored values of the band signal characteristics, the true object temperature and the emissivity are determined by means of the iteration method.

Au sf ührunf?;sbeiso ie 1; Out of hand ? 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«.The pyrometric arrangement has three fixed spectral ranges. The detector used is a multispectral detector which is sensitive in three spectral ranges, for example consisting of Hg Cd Te layers, whereby the breakdown of the spectral ranges takes place. For focusing the infrared radiation, a lens or mirror objective is used. The information processing is carried out by means of a computer system. Through appropriate switching and the display and correction of the individual band signals are possible. The use of only two spectral regions is possible in the presence of "gray bodies". When using the three spectral ranges, the spectral emissivity profile can be unknown. By means of two ratios can be determined whether a "gray body" is present. If the principal course of the spectral emissivity is known, the true object temperature can be determined by solving the nonlinear system of equations. "

In eine Speichereinrichtung können bekannte Größen, wie z. B« EnrLsßionsgrade, -Verhältnisse und -verlaufe, eingegeben v/erden. Ferner können ermittelte Emissioncgrade automatisch gespeichert werden*In a memory device known sizes, such. Entering degrees, ratios, and characteristics are entered. Furthermore, determined emission grades can be automatically saved *

Der Rechner wird ferner zur Kompensation des Emissionsgradeinflusoes genutzt.The calculator is also used to compensate for the emissivity influx.

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.In another embodiment, the pyrometric array has four fixed spectral ranges. In this case, a linear emissivity gradient is permitted, and with the fourth spectral range the confirmation is achieved by matching the determined object temperatures.

Ferner ist es möglich, daß die pyrometrische Anordnung drei feste Spektralbereiche besitzt und zusätzlich die BenutzungFurthermore, it is possible that the pyrometric arrangement has three fixed spectral ranges and, in addition, the use

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.an auxiliary radiator is provided. Here, the ambient temperature is allowed as unknown. When using only zv / ei spectral ranges, the ambient temperature must be known. By means of the auxiliary heater, an automatic recalibration is also possible.

Claims

invention claim

1. A method and device for carrying out the method for non-contact, emission rate independent temperature measurement, characterized in that with one in several spectral sensitive pyrometric arrangement successively the band signals of a Meßobjektstrahlung without and with an auxiliary radiation of known spectral composition which is reflected at the Meßobjektoberfläche, as input variables be recorded and entered into a computer, v / o a link is such that the spectral reflectance ratios of the Meßobjektoberfläche calculated and used together with all band signals and the stored band signal characteristics of the individual spectral ranges, which were determined on the black spotlight, as known quantities of a nonlinear system of equations where the solution of the equation system is carried out by means of an iteration method and the unknown quantities, such as true object temperature and s pektrale emissivities, be determined

2. The method according to item 1, characterized in that instead of a separate auxiliary radiation, the radiation of Meßobjektumgebung used and a characterizing size, such as, B, the ambient temperature as input, for the computer is used and in the computer by the same linkage algorithm unknown quantities, such as true object temperature and spectral emissivities are determined.

3 · Method according to item 1, characterized in that known-.te sizes, ѵ & е ζ. For example, emissivities, emissivity ratios and history entered into the calculator.

4 · Method according to item 1, characterized in that the linking by the computer takes place such that the

Intensitätsßverhäitnicse respectively two band signals are determined and compared v / ground, which is concluded in the presence of the same determined object temporal on the presence of a "gray body" and on the true object temperature.

Vez'fahren after item 1, characterized in that the computer of the pyrometrisehen arrangement in addition to the compensation of the housing temperature influence and in conjunction with the auxiliary radiator, which is used for the Objekttemperatürbestimmung for automatic Hachkalibrierung the pyrometri see arrangement uses τ / ird and the storage known and measured emissivities allowed.

Device for carrying out the method according to item 1, characterized in that a pyrometrical arrangement sensitive in several spectral ranges contains a device for selecting the spectral ranges which consists of piles or prisms or a grating monochromator, the device comprising a radiation detector in A or multichannel design; or contains a selective in several spectral ranges radiation detector, such. B. a multi-layer Hg Gd Te - detector and is kept together with a computer, wherein an auxiliary radiator is arranged so that the pyrometric arrangement in addition to the radiation of Ließobjektes also detects the reflected radiation of the auxiliary radiator.

Device according to item 6, characterized in that, in addition, the display of the individual band signals or the radiation temperatures corresponding to them and their correction by means of an emissivity setting optionally include switchable lind in the pyrometric arrangement Bind ♦