DD158493A3

DD158493A3 - Verfahren und einrichtung zur emissionsgradunabhaengigen temperaturmessung

Info

Publication number: DD158493A3
Application number: DD80226678A
Authority: DD
Inventors: Manfred Zimmerhackl; Franz Engel
Original assignee: Manfred Zimmerhackl; Franz Engel
Priority date: 1980-12-29
Filing date: 1980-12-29
Publication date: 1983-01-19
Also published as: GB2090402A; FR2497343A1; FR2497343B1; BG43650A1; DE3149138A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchfuehrung von beruehrungslosen, emissionsgradunabhaengigen Temperaturmessungen auf der Basis der Strahlungspyrometrie. Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit rein pyrometrischen Mitteln die wahre Temperatur von Messobjektoberflaechen zu messen. Die Aufgabe besteht darin, das genannte Ziel ohne das Vorhandensein von Vorinformationen ueber den Emissionsgrad der Messobjektoberflaeche und ueber den Messobjektraum zu erreichen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das gesamte Spektrum der Temperaturstrahlung d. Messobjektoberflaeche v. einer Interferonmeteranordnung aufgenommen und von einem Rechner mittels eines Suchalgorithmus ausgewertet wird. In einer erweiterten Variante wird ein zusaetzlicher Hilfsstrahler benutzt, dessen an der Messobjektoberflaeche reflektierte Strahlung mit ausgewertet wird. Die Erfindung ist insbesondere fuer Forschungsarbeiten oder fuer Voruntersuchungen fuer den Einsatz von Temperaturmesseinrichtungen in technologischen Prozessen geeignet.

Description

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-ü?itel der Erfindung

Verfahren und Einrichtung zur emissionsgradunabhängigen !Tempera türme s sung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur berührungslosen emissionsgradunabhängigen Messung der Temperatur von Meßobjektoberflächen auf der Basis der Strahlungspyrometrie, wobei die Erfindung insbesondere innerhalb von Forschungsarbeiten und bei Voruntersuchungen für den Einsatz von !Temperaturmeßeinrichtungen in technologischen Prozessen angewendet werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits ein Verfahren und eine. 'Einrichtung vorgeschlagen worden, bei denen zur Messung der wahren Objekttemperatur mehrere feste Arbeitsspektralbereiche benutzt v/erden. Dieses Verfahren und diese Einrichtung sind dafür sehr geeignet, wenn Vorinformationen über den Verlauf des Emissionsgrades der Meßobjektoberfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge und über die Strahlungsverhältnisse des Meßobjektraumes vorhanden sind. Sie sind ungeeignet, \ίβϊιώ. keine Vorinformationen vorliegen»

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die berührungslose Untersuchung von Meßobjektoberflächen und Meßobjekträuinen zum Zwecke der Messung der wahren Objekttemperatur mit rein pyrometrischen Mitteln in der Forschung und bei Voruntersuchungen für den Einsatz von Temperaturmeßeinrichtungen in technologischen Prozessen zu ermöglichen. Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung ist darin zu sehen, daß die bekannten Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung auch in solchen Anwendungsbereichen genutzt τ/erden können, v/o dies bisher wegen der komplizierten Meßbedingungen nicht möglich war. Perner wird durch die Anwendung der Erfindung der Aufwand bei Voruntersuchungen zum Einsatz von Temperaturmeßeinrichtungen wesentlich vermindert.

Darlegung de3 Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungslose Bestimmung der wahren Objekttemperatur an Meßobjektoberflachen und in Meßobjekträumen zu ermöglichen, ohne daß Vorinformationen über den Verlauf des Emissionsgrades der Meßobjektoberfläche in Abhängigkeit der Wellenlänge und über die Strahlungsverhältnisse des Meßobjektraumes vorhanden sind. Darüber hinaus sollen dabei Informationen, die den Einsatz bekannter Verfahren ermöglichen, gewonnen und gespeichert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das gesamte Spektrum der Temperaturstrahlung der.Meßobjektoberfläche einschließlich der von ihr reflektierten Umgebungsstrahlung aufgenommen und ausgewertet wird.

Als Hilfsmittel wird ein Hilfsstrahler mit bekannter spektraler Zusammensetzung verwendet, dessen Spektrum nach Reflexion an der Meßobjektoberfläche aufgenommen und in die Auswertung einbezogen wird. Liegt im lliedertemperaturbereich (50.., 300 C) ein präparierter Meßraum (schwarze Umgebungsstrahlung)

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vor, kann auf den Hilfsstrahler verzichtet werden und die über die Meßobjektoberflache in die Meßeinrichtung reflektierte Umgebungsstrahlung in bekannter Weise als Eingangsgröße für die Informationsverarbeitung verwendet werden.

Die Auswertung erfolgt derart, daß mittels eines Suchalgorithmus ein Rechner die Bandstrahlungsmeßwerte aller Spektralbereiche des aufgenommenen Spektrums solange verknüpft, bis die Auswertung von zwei verschiedenen Spektralbereichskombinationen bei einer willkürlich angenommenen Emissionsgradverknüpfung zu gleichen Temperaturwerten führt. Diese sind dann auch mit der wahren Objekttemperatur der Meßobjektoberfläche identisch.

Mit Hilfe von Reflesd-onsverhältnismessungen v/erden die spektralen Emissionsgrade, wie bereits vorgeschlagen, ermittelt und gespeichert. Erfindungsgeinäß werden mit dem beschriebenen Verfahren die Spektralbereiche aus dem Spektrum der Temperaturstrahlung des Meßobjektes ermittelt, in denen es grau strahlt oder v/o der Emissionsgradverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge linear ist. Das Verhalten des Emissionsgrades zwischen den ermittelten Spektralbereichen- kann dabei beliebig sein.

Der Rechner wertet die an der Meßobjektoberfläche reflektierte Strahlung des Hilfsstrahlers und der Meßobjektumgebung derart aus, daß solche Spektralbereiche ermittelt v/erden, wo die Meßobjektumgebung grau strahlt und ihr Einfluß ermittelt bzw. eliminiert werden kann.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekannzeichnet, daß zur Messung des Spektrums der Temperaturstrahlung der Meßobjektoberfläche eine Interferometeranordnung eingesetzt ist. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß -entweder ein beweglicher Spiegel auf einen piezoelektrischen Schwinger angeordnet ist und nach dem Strahlungsdetektor elektronische !Filter, welche wie im optischen Kanal be-

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findliche PiIter wirken, zur Abgrenzung der auszuwertenden Spektralbereiche geschaltet sind oder daß ein fester Spiegel schräg zur Strahlungsrichtung angeordnet ist und zur Auflösung des Spektrums eine Detektorzeile eingesetzt ist.

Ausführungsbeispiel

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Meßeinrichtung zur Messung der wahren Objekttemperatur besteht aus einem Fourier-Interferometer für den Infrarotbereich von 3···15 /um (Hiedertemperaturbereich von 50.«.300 ⁰G) mit einer spektralen Auflösung von Δ λ = 2 /um und einer Temperaturauflösung von besser als 0,05 K bei λ = 10 /um. Das Fourier-Interferometer ist bekanntermaßen aufgebaut. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren wird der bewegliche Spiegel des Interferometers mittels eines piezoelektrischen Schwingers bewegt, und das Detektorsignal wird mittels elektronischer Filter einschließlich Gleichrichter und Spitzenwertspeicher verarbeitet. Das elektronische Filter hat praktisch die gleiche \7irkung wie ein Filter im optischen Kanal. Es werden z. B. 6 Filter parallel geschaltet und die Meßwerte multiples bei einem Spiegelhub aufgenommen. Zusätzlich wird der Mittelwert über mehrere Spiegelhübe gebildet, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens wesentlich gesteigert wird. Die Gehäusetemperaturkompensation erfolgt mittels eines Rechners, welcher auch die Verknüpfung der spektralen Meßwerte vornimmt und die wahre Objekttemperatur berechnet. Die Verknüpfung erfolgt derart, daß der Rechner jeweils zwei Meß- , werte der Strahlungsintensität der einzelnen Spektralbereiche miteinander ins Verhältnis setzt und mittels eines Suclialgorithmus die Bereiche bestimmt, wo die Auswertung der Verhältnisbildung gleiche Y/erte für die Objekttemperatur ergibt. Das trifft nur auf solche Spektralbereiche zu, in denen die Meßobjekt oberfläche gleiche spektrale Emissionsgrade aufweist, d. h. in denen sie als grauer Strahler wirkt. Die so ermittelte Objekt temperatur ist mit der Yiahren Objekt temperatur identisch.

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Es ist aber auch, möglich, einen zur Strahlungsrichtung schräg angeordneten festen Spiegel zu benutzen, wodurch die Auflösung des Spektrums mittels einer Detektorzeile in einzelne Spektralbereiche erfolgen kann.

Die Verknüpfung der Bandstrahlungsmeßwerte kann auch derart erfolgen, daß der Rechner jeweils drei Meßwerte der Strahlungsintensität der einzelnen Spektralbereiche so verknüpft, daß die Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems

^U1	— f	(V	s_v	¹O-	V
^U2	a f	O₂,	2'	¹C
^Ü3	= f =s a	(A₃, * 'S	^£3>
«2	= a	• f\ 2
	= a

die Objekttemperatür ergibt, Mittels eines Suchalgorithmus werden die Spektralbereichskombinationen bestimmt, für die sich gleiche Objekttemperatüren ergeben. Diese Spektralbereichskombinationen haben spektrale Emissionsgrade, welche sich linear mit der Wellenlänge ändern. Die ermittelte Objekttemperatur ist die wahre Objekttemperatur.

Im -Hochtemperaturbereich oder wenn im liiederternperaturbereich die Strahlungsverhältnisse im Meßobjektraum nicht bekannt sind, wird zusätzlich'ein Hilfsstrahler benutzt. Die Meßeinrichtung mißt die spektrale Meßobjektstrahlung mit und ohne die an der Meßobjektoberfläche reflektierte Hilfsstrahlung. Der Rechner bestimmt mittels eines Suchalgorithmus die Spektralbereiche, in denen die Meßobjektoberfläche und die Meßobjektumgebung grau strahlen und somit die Ermittlung der wahren Objekttemperatur ermöglichen«

Claims

. β

1. Verfahren zur emissionsgradunabhängigen Temperaturmessung dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Infrarotspektrum einer Meßobjektoberfläche einschließlich der an ihr re-, flektierten Umgebungsstrahlung eines präparierten Meßraumes aufgenommen und in der V/eise ausgewertet wird, daß ein Rechner die Umgebungsstrahlung in bekannter Weise in die Auswertung einbezieht und die Bandstrahlungsmeßwerte in den einzelnen Spektralbereichen unter Verwendung eines Suchalgorithmus solange miteinander verknüpft werden, bis die AusY/ertung bei ,mindestens zwei verschiedenen Spektral bereichskombinationen und einer willkürlich angenommenen Emissionsgradverknüpfung zu gleichen Temperaturwerten führt und somit die wahre Objekttemperatur und die unbekannten Emissionsgrade ausgegeben werden.

2. Verfahren nach Pkt. 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Spektrum eines Hilfsstrahlers bekannter spektraler Zusammensetzung nach der Reflexion an der Meßobjektoberfläche aufgenommen und als Eingangsgröße für die Informationsverarbeitung verwendet wird, vom Rechner die Spektralbereiche ermittelt werden und bei unbekannter Umgebungsstrahlung die Yiahre Objekttemperatur ausgegeben wird.

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Erfindungsanspruch

3. Verfahren nach Pkt. 1 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Bandstrahlungsmeßwerte zweier Spektralbereiche des Infrarotspektrums vom Rechner ins Verhältnis gesetzt und die Bereiche gesucht τ/erden, bei denen die Auswertung gleiche Temperaturwerte und somit gleiche Emissionsgrade ergibt.

4« Verfahren nach Pkt. 1 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Bandstrahlungsmeßwerte von drei Spektralbereichen des Infrarotspektrums vom Rechner verknüpft werden und die Bereiche gesucht werden, die gleiche Temperaturwerte und

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einen linearen Verlauf des Emissionsgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge ergeben.

5· Verfahren nach Pkt. 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß vom Rechner die Spektralbereiche des Infrarotspektrums gesucht v/erden, in denen die Meßobjektumgebung und die Meßobjektoberfläche grau strahlen.

β.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pkt. 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein beweglicher Spiegel der Interferometeranordnung auf einem piezoelektrischen Schwinger angeordnet ist und nach dem Strahlungsdetektor elektronische Filter, welche wie im optischen Kanal befindliche Filter wirken, zur Abgrenzung der auszuwertenden Spektralbereiche geschaltet sind.

7» Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pkt. 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Interferometeranordnung ein fester Spiegel zur Strahlungsrichtung schräg angeordnet ist und zur Auflösung des Infrarotspektrums eine De-

- tektorzeile eingesetzt ist.