DD234187A3

DD234187A3 - Schaltungsanordnung zur signalverarbeitung in strahlungspyrometern

Info

Publication number: DD234187A3
Application number: DD84266558A
Authority: DD
Inventors: Burkhard Dohmeyer; Eberhard Klein; Franz Engel
Original assignee: Weinert E Messgeraetewerk
Priority date: 1984-08-23
Filing date: 1984-08-23
Publication date: 1986-03-26
Also published as: DE3520691A1; DE3520691C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingtem Fehler fuer einen grossen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird. Erfindungsgemaess wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Temperatur des Messobjektes proportional ist und bei der der Einfluss des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur kompensiert ist. Die Kompensation des Emissionsgrades erfolgt durch die Verknuepfung zweier miteinander gekoppelten einstellbaren, temperaturabhaengigen Konstantstromquellen mit dem Ausgang des Detektors und dem Eingang einer temperaturkompensierten Logarithmiereinheit. Die durch die Logarithmiereinheit erzeugte Spannung wird um den Faktor eines Exponenten n der Detektorkennlinie durch einen umschaltbaren Spannungsteiler heruntergeteilt. Eine exponentielle Verstaerkung der heruntergeteilten Spannung erfolgt in einer Delogarithmiereinheit, wobei durch einen umgebungstemperaturabhaengigen Konstantstrom der Einfluss der Umgebungstemperatur kompensiert wird. Die Ausgangsspannung wird in einem Komparator mit einer definierten Spannung verglichen und der Spannungsteiler entsprechend umgeschaltet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern. Die Erfindung ist insbesondere in Strahlungspyrometern mit einer kurzen Einstellzeit anwendbar, die zur Temperaturüberwachung und -regelung von schnell veränderlichen Erwärmungs- oder Abkühlprozessen dienen. Weiterhin ist die Erfindung in Strahlungspyrometern mit einem großen Dynamikbereich des Detektorsignals und für kleine, tragbare und netzunabhängige, kompakte Strahlungspyrometer zu Kontrollmessungen anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In Abhängigkeit vom verwendeten Arbeitsspektralbereich haben Strahlungspyrometer einen sehr unterschiedlichen und zugleich äußerst unlinearen Verlauf ihrer Kennlinie (Signalspannung des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Temperatur des Meßobjektes). '

Das Detektorsignal ΙΦ ist durch folgenden physikalischen Zusammenhang gekennzeichnet:

ΙΦ = K χ E(T" - TS).

Dabei ist K eine durch physikalische und gerätetechnische Parameter bestimmte Konstante, E der Emissionsgrad, T die zu messende Temperatur, T₀ eine durch den Detektor bestimmte Konstanttemperatur und η ein sich in Grenzen ändernder Exponent.

Für die Linearisierung der Detektorkennlinie sind Schaltungsanordnungen, die nach dem Sekantenverfahren arbeiten, bekannt (siehe Firmenschriften der NPOThermopribor Lwow/UdSSR: Gerätesystem APIR-S; der Fa. Gulton/BRD: Infratherm IN2, IN2/9; der Fa. Heimann/BRD: Infrarotstrahlungsthermometer KT4. Das Sekantenverfahren hat den Nachteil, daß infolge der Approximation der Kennlinie durch Sekanten sich funktionsbedingte Abweichungen bei der Linearisierung der Kennlinie ergeben. Dabei ist der Schaltungsaufwand umgekehrt proportional dem zugelassenen Linearisierungsfehler. So liegen die erreichbaren Grundfehlerzwischen 1 ...2,5%, bezogen auf den Meßbereichsendwert beim Gerätesystem APIR-S und 1% ±2 K, bezogen auf den Meßbereichsumfang bei Infratherm IN 2, IN 2/9. Erst durch eine wesentliche Erhöhung des Schaltungsaufwandes wird bei bekannten Lösungen 1% ±1 K, bezogen auf den Meßwert, z.B. Infrarotstrahlungsthermometer KT4, erreicht. Bei letztgenannter Lösung ist weiterhin der Abgleichaufwand und der Volumenbedarf relativ hoch. Darüber hinaus ermöglicht diese Schaltungsanordnung nur einen Dynamikumfang von drei Dekaden, was einen relativ beschränkten Meßbereich in einem vergleichbaren Arbeitsspektralbereich zur Folge hat.

Zur Linearisierung von Kennlinien sind aus der Meßtechnik Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die Detektoren, z. B. Fotodioden, an Logarithmierverstärker angeschlossen sind (siehe Kühnel in Reihe „electronica" 199, S.38 bis 48, Militärverlag der DDR 1982). Diese eignen sich nur zur Linearisierung exponentieller Kennlinien (z. B. bei Belichtungsmessern) und ermöglichen keine Einstellung des Emissionsgrades, was zur berührungsfreien Temperaturmessung mittels Strahlungspyrometer unbedingt notwendig ist.

Ferner sind Schaltungsanordnungen bekannt, die mit Mikrorechnern die Linearisierung der Pyrometerkennlinie vornehmen (siehe Firmenschriften der Fa. Everest Int./USA: Infrarot-Thermometer, der Fa. Raytek/USA: Raynger Il und der Fa. Gulton: Infratherm ITG). Mit diesen Lösungen sind höhere Genauigkeiten erreichbar, wie z. B. beim Infrarot-Thermometer der Fa. Everest Int. ±0,3% vom Meßbereichsendwert ±1 digit und bei Raynger Il ±1 % vom Meßwert ±1 digit, und Meßbereiche von—30°C bis 1100⁰C bzw. 300⁰C bis 3000°C bei Raynger II.

Nachteilig bei Raynger Il ist, daß zusätzlich zur Ansprechzeit des Detektors eine funktionsbedingte Verzögerung im Rechner auftritt, ehe ein temperaturlineares Ausgangssignal geliefert wird. Die erreichbaren Meßzeiten liegen bei o. g. Lösungen von 0,25 bis 1s, was für die Überwachung bzw. Regelung schneller thermischer Prozesse nicht ausreichend ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern zu schaffen, die bei extrem kurzer Einstellzeit des Strahlungspyrometers gleichzeitig kleine Abmessungen und eine kostengünstige Herstellung des Strahlungspyrometers gewährleisten. Dabei soll die Linearisierung des Detektorsignals mit geringem Bauelemente- und Dimensionierungsaufwand und für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals vorgenommen werden.

arlegung des Wesens der Erfindung

er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern zu :haffen, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingtem Fehler für einen großen Dynamikumfang des etektorsignals linearisiert wird und eine kurze Einstellzeit des Strahlungspyrometers ermöglicht. Weiter besteht die Aufgabe er Erfindung darin, den Einfluß des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Größe des Detektorsignals zu ampensieren.

rfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung aus einem Detektor, zwei miteinander ekoppelten einstellbaren, temperatur-unabhängigen Konstantstromquellen, einer temperaturkompensierten ogarithmiereinheit, einem umschaltbaren Spannungsteiler, einer umgebungstemperaturabhängigen Konstantstromquelle, iner temperaturkompensierten Delogarithmiereinheit, Komparatoren und FET — Analogschaltern besteht. Der Ausgang des etektors ist bekannterweise mit dem Eingang der Logarithmiereinheit und erfindungsgemäß mit einer der zwei miteinander ekoppelten Konstantstromquellen verbunden. Die zweite der miteinander gekoppelten Konstantstromquellen ist auf den erstärkereingang der Logarithmiereinheit geschaltet. Der Ausgang der Logarithmiereinheit ist über den umschaltbaren pannungsteiler mit dem Eingang der Delogarithmiereinheit verbunden, deren Verstärkung durch die mgebungstemperaturabhängige Konstantstromquelle bestimmt ist. Der Ausgang der Delogarithmiereinheit ist über lindestens einen Komparator an mindestens einen FET-Analogschalter des umschaltbaren Spannungsteilers geschaltet. ie Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nachfolgend beschrieben. Mittels der ogarithmiereinheit wird eine dem logarithmischen Verhältnis zwischen der Summe aus Detektorstrom ΙΦ und dem ersten mit em Emissionsgrad bewerteten Konstantstrom zu dem zweiten mit dem Emissionsgrad bewerteten Konstantstrom roportionale Spannung erzeugt.

liese Spannung wird um den Faktor des Exponenten η der Detektorkennlinie durch den umschaltbaren Spannungsteiler eruntergesteilt. Die heruntergeteilte Spannung wird in der Delogarithmiereinheit exponentiell verstärkt, wobei die Verstärkung on einem Konstantstrom bestimmt ist, der eine gegenüber dem Detektorstrom reziproke Abhängigkeit von der Imgebungstemperatur besitzt. Diese exponentiell verstärkte Spannung wird mit verschiedenen definierten Spannungswerten erglichen und der Spannungsteiler entsprechend dem für verschiedene Temperaturbereiche zutreffenden Exponenten η der letektorkennlinie über den FET-Analogschalter und den Komparator umgeschaltet. Bei der durch die Logarithmiereinheit rzeugten Spannung wurde mittels der mit dem Emissionsgrad bewerteten Konstantströme der Emissionsgradeinfluß auf das ietektorsignal kompensiert und gleichzeitig die Verarbeitung eines großen Dynamikumfangs des Detektorsignals ermöglicht. In er Delogarithmiereinheit erfolgt die Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das Detektorsignal durch den on der Umgebungstemperatur abhängigen Konstantstrom.

lie exponentiell verstärke Spannung am Ausgang der Delogarithmiereinheit ist dann der Temperatur T des Meßobjektes roportional.

lusführungsbeispiel

anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. eine erfindungsgemäße ichaltungsanordnung.

is wird eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern vorgeschlagen, wobei die Kennlinie des letektors für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird und der Einfluß des Emissionsgrades und der Jmgebungstemperatur auf die Größe des Detektorsignals kompensiert wird.

kls Detektor soll eine Fotodiode 1 dienen. Dann ist der Detektorstrom ΙΦ = K χ E(T" - TS), wobei K eine Konstante, E der imissionsgrad, T die Objekttemperatur, T₀ eine vom Detektor abhängige Konstanttemperatur und η ein für bestimmte "emperaturbereiche konstanter Exponent ist.

!rfindungsgemäß wird zunächst eine dem logarithmischen Verhältnis zwischen der Summe aus Detektorstrom ΙΦ und einem irsten mit dem Emissionsgrad E bewerteten 1_K1 zu einem zweiten mit dem Emissionsgrad E bewerteten Konstantstrom I_K2 iroportionale Spannung U₁ über eine Logarithmiereinheit 4 erzeugt. Dazu ist der Ausgang der Fotodiode 1 mit dem Eingang der emperaturkompensierten Logarithmiereinheit 4 und mit einer Konstantstromquelle 2, die mit einer weiteren tonstantstromquelle 3 gekoppelt ist, verbunden und die Konstantstromquelle 3 auf den Verstärkereingang der .ogarithmiereinheit 4 geschaltet. Die einstellbaren und temperaturunabhängigen Konstantstromquellen 2 und 3 sind so limensioniert, daß I_K1 = l<2 = K χ E = TJ ist. Der Ausgang der Logarithmiereinheit 4 liefert dann die Spannung

J₁ = U₁ x la ;=_:y_T,χ iijtv^^.;·.,;:wobei rj^ die Tem-

wobei Ut die Temperaturspannung ist.

Veiterwird die Spannung U₁ um den Faktor des Exponenten η der Detektorkennlinie durch einen um-ohaltbaren Spannungsteiler 5 heruntergeteilt. Dazu ist der Ausgang der Logarithmiereinheit 4 mit dem Eingang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 verbunden, so daß am Ausgang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 eine Spannung

£ χ Tj_m χ In — entsteht.

Die Spannung U₂ wird exponentiell verstärkt, wobei die Verstärkung von einem Konstantstrom I_K3 bestimmt ist, der eine gegenüber dem Detektorstrom ΙΦ reziproke Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur θ besitzt. Dazu ist der Ausgang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 auf den Eingang einer Delogarithmiereinheit 6 geschaltet, so daß an deren Ausgang eine Spannung

TJ = R χ I_1n χ exp

^Ra

entsteht, wobei R_a ein Arbeitswiderstand ist.

Der Konstantstrom I_K3 wird von einer umgebungstemperaturabhängigen Konstantstromquelle geliefert. Die Spannung U₃ ist dann der Temperatur T des Meßobjektes proportional und der Einfluß der Umgebungstemperatur θ wurde kompensiert. Der Ausgang der Delogarithmiereinheit 6 ist über mindestens einen Komparator 8 mit mindestens einem FET-Analogschalter, der Bestandteil des umschaltbaren Spannungsteilers 5 ist, verbunden. Die Spannung U₃ wird im Komparator 8 mit verschiedenen Spannungswerten einer definierten Spannung U_p verglichen. Beim Überschreiten eines bestimmten Wertes der Spannung U₃ erfolgt über den Komparator 8 und den FET-Analogschalter die Umschaltung des umschaltbaren Spannungsteilers 5, so daß entsprechend der verschiedenen Temperaturbereiche ein anderer Exponent η zur Herunterteilung der Spannung U₁ wirksam wird.

Claims

Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung in Strahlungspyrometern, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingtem Fehler für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert, eine kurze Einstellzeit des Strahlungspyrometers ermöglicht und der Einfluß des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Größe des Detektorsignals kompensiert werden sowie der Ausgang des Detektors mit dem Eingang einer temperaturkompensierten Logarithmiereinheit verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Eingang der temperaturkompensierten Logarithmiereinheit auf eine von zwei miteinander gekoppelten, einstellbaren, temperaturunabhängigen Konstantstromquellen geschaltet ist, daß die zweite dieser Konstantstromquellen mit dem Verstärkereingang der Logarithmiereinheit verbunden ist, daß der Ausgang der Logarithmiereinheit über einen umschaltbaren Spannungsteiler mit dem Eingang einer Delogarithmiereinheit, deren Verstärkung durch eine umgebungstemperaturabhängige Konstantstromquelle bestimmt ist, verbunden ist und daß der Ausgang der Delogarithmiereinheit über mindestens einen Komparator an mindestens einen FET-Analogschalter des umschaltbaren Spannungsteilers geschaltet ist.

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