DD235487A1

DD235487A1 - Verfahren zur beruehrungslosen messung der temperatur

Info

Publication number: DD235487A1
Application number: DD26408984A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Kienitz
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1986-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beruehrungslosen Messung der Temperatur und des Emissionsgrades im Niedertemperaturbereich durch die Messung der Stahlung bei n spektralen Messpunkten. Ziel der Erfindung ist es, fuer viele Anwendungsfaelle im Niedertemperaturbereich die Messgenauigkeit zu erhoehen. Aufgabe der Erfindung ist es, durch Messungen bei wenigstens zwei Wellenlaengen die Informationen ueber die Objekttemperatur und den Emissionsgrad allein aus den gemessenen Strahldichten zu gewinnen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Strahlung desselben Objektes bei wenigstens zwei von der Umgebungstemperatur unterschiedlichen Objekttemperaturen gemessen und die wenigstens vier Messwerte (Strahldichten bei zwei Temperaturen und zwei Wellenlaengen) gemeinsam ausgewertet werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur und des Emissionsgrades im Niedertemperaturbereich durch die Messung der Strahlung bei spektralen Meßpunkten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Bestimmung bzw. Eliminierung des Emissionsgrades stellt eines der zentralen Probleme der Pyrometrie dar.

In der Gesamtstrahlungspyrometrie ist es üblich, den Emissionsgrad eines Meßobjektes mit Hilfe von Emissionsgradtabellen zu schätzen oder durch seine künstliche Erhöhung den Einfluß auf eine Verfälschung des Meßergebnisses einer berührungslosen Temperaturmessung zu vermindern. Diese Verfahren lassen jedoch nur eine näherungsweise Bestimmung der Objekttemperatur zu und/oder erfordern eine Veränderung der Meßobjektoberfläche bzw. -Umgebung.

Die weitere Möglichkeit der Messung des Emissionsgrades bei berührender Messung der Objekttemperatur schränkt den eigentlichen Vorteil der berührungslosen Temperaturmessung stark ein.

Es wurden deshalb verschiedene Verfahren entwickelt, mit Hilfe von Spektral- bzw. Bandstrahlungspyrometern durch eine Messung der infraroten Strahlung in mehreren Wellenlängenbereichen eine emissionsgradunabhängige Temperaturmessung zu erreichen.

Eine erste Gruppe von Verfahren setzt einen linearen Verlauf des Emissionsgrades voraus. Die damit aufgebauten einfachen bzw. erweiterten Quotientenpyrometer verringern den Meßfehler nur dann, wenn diese Voraussetzung tatsächlich erfüllt ist. Bei realen Meßobjekten führt jedoch schon eine geringe Abweichung von der vorausgesetzten Emissionsgradverteilung durch die Quotientenbildung der Pyrometersignale zu einem größeren Meßfehler als die Schätzung des Emissionsgrades und anschließende Messung mit dem Bandstrahlungspyrometer.

Eine weitere Gruppe von Verfahren benutzt Hilfsstrahlerkonstruktionen, um über das Reflexionsverhalten eines Probestrahlers Rückschlüsse auf dessen Emissionsverhalten zu ziehen. Da bei allgemeinen technischen Objekten jedoch keine ausschließlich reguläre bzw. ausschließlich diffuse Reflexion vorliegt, muß die HilfsStrahlung entweder aus dem gesamten Halbraum kommen oder der durch Aufprojektion entstehende Reflexionskegel bzw. dessen spektrale Abhängigkeit bekannt sein.

Die zur ersten Möglichkeit vorliegenden Konstruktionsvarianten für die Hilfsstrahler sind auf Grund ihres Umfanges schwer zu handhaben und nur bedingt einsetzbar.

Die zweite Möglichkeit, die Reflexionsverhältnisse als bekannte Größen zu berücksichtigen, dürfte mindestens ebenso problematisch sein, wie die Voraussetzung bekannter spektraler Emissionsverhältnisse.

Die dritte Gruppe von Verfahren versucht, durch Messung der Strahlung bei η spektralen Meßpunkten den Emissionsgrad mit einer Funktion <(n - 1). Ordnung zu approximieren. Hauptnachteil dieser Verfahren ist die Verwendung eines prinzipiell unterbestimmten Gleichungssystems, so daß die berechnete Objekttemperatur und der zugehörige Emissionsgradverlauf stets nur eine aus einer Reihe möglicher Lösungen darstellt. Die Genauigkeit bei der Temperaturbestimmung bleibt somit auch bei dieser Verfahrensgruppe begrenzt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, für viele Anwendungsfälle im Niedertemperaturbereich die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Messungen bei wenigstens zweier Wellenlängen die Informationen über die Objekttemperatur und den Emissionsgrad allein aus den gemessenen Strahldichten zu gewinnen.

Das Verfahren nutzt die Erkenntnis, daß im Niedertemperaturbereich der Emissionsgrad des Objekts nur gering von der Objekttemperatur abhängt.

Die spektrale Abhängigkeit f (λ) des Emissionsgrades ε (λ, T₀) kann somit in guter Näherung von dessen Temperaturabhängigkeit entkoppelt werden, so daß gilt

-2- 640 89 = fU) -J(T₀)

tew

wobei T₀₁ und T₀₂ unterschiedliche Objekttemperaturen sind. Durch die Messung der Strahldichten bei mehreren Temperaturen und Wellenlängen lassen sich nach der Näherung gemäß Gleichung (2) im weiteren eindeutige Meßverfahren zur Bestimmung des Emissionsgrades und der Temperatur angeben.

Generell ist die Anwendung des Verfahrensauf Messungen bei sich ändernden Objekttemperaturen und konstanter oder sich in bekanntem Maße verändernder Umgebungsstrahlung beschränkt, d.h. die meisten praktisch vorkommenden Meßprobleme können erfaßt werden. Verschiedene Anwendungen sind in den Punkten des Erfindungsanspruches und in den Ausführungsbeispielen erläutert.

Ausführungsbeispiele I.Beispiel

Es werden Objektstrahldichten UM, T_oj)(mit i = 1,2,3 und j = 1,2) bei drei effektiven Wellenlängen λ, und zwei unbekannten Objekttemperaturen T₀₁- gemessen. Setzt man eine nach dem Pianckschen Strahlungsgesetz berechenbare, schwarze Umgebungsstrahlung L_u(Ai, T_u) bei der mittleren Umgebungstemperatur T_u voraus und bezeichnet die aus dem Pianckschen Strahlungsgesetz bei derTemperaturT_oj berechnete Strahlung L₀(Aj, T_oj), so gilt bei Messung eines nicht transparenten Objektes

⁷¹I₁ ^r°j) * * (Mi ^T*j)Loin, Toj) f[4- C(TM₁ nß]L_u(Ai₁ r_u) (3)

j/ mit ι- Ί/2,3

C₂ ist dabei die 2. Plancksche Strahlungskonstante (1,43879 · 1CT²mK);

C₁ eine von den optischen Abbildungsverhältnissen abhängige Konstante. Wegen Gleichung (2) gilt nun

A(^₁To₂) e(^zJc₂) e(A_3iT_0Z)

Aus Gleichung (3) und (6) ergibt sich nach geeigneten Umformungen

Lu(Aj,Tg) _t U Wn T₀^)-Lu(Ai₁ T_u)

_t L_M (A_n T₀₂) - Lu (Ai. T_u) _ ^ mit /=2 3 ' L(A)L(AT)

Gleichung (7) stellt in Verbindung mit Gleichung (4) und Gleichung (5) ein nichtlineares Gleichungssystem von zwei Gleichungen mit den Unbekannten T₀₁ und T₀₂ dar, das iterativ eindeutig gelöst werden kann. Die Emissionsgrade lassen sich dann aus Gleichung (3) in der Form

e (X₁, T₀₁) = ^Lm(X"^Toi)~^Lu(X"^Tu> mit i = 1, 2, 3

L(XT₀J)-Lu(^Tu) undj = 1,2

berechnen.

Es ist möglich, die spektralen Objektstrahldichten mit dem o. g. Verfahren bei mehr als drei effektiven Wellenlängen zu messen. Man erhält dadurch ein überbestimmtes Gleichungssystem zur Ermittlung der Objekttemperaturen, das eine geringere Empfindlichkeit gegenüber dem Rauschen der Pyrometersignale aufweist. Außerdem können auf diese einfache Weise spektrale Emissionsgradverläufe ermittelt werden.

-3- 640

2. Beispiel

Bei einer Vielzahl von Stoffen kann der Emissionsgrad innerhalb der in der Niedertemperaturpyrometrie auftretenden Temperaturintervalle als eine von der Objekttemperatur unabhängige Funktion betrachtet werden. Damit ist auch die Temperaturabhängigkeit des Bandemissionsgrades vernachlässigbar gering, so daß folgendes modifiziertes Verfahren verwendet werden kann: Die Strahlung des Meßobjektes wird mit Hilfe eines Bandstrahlungspyrometers in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen bei zwei unbekannten Objekttemperaturen gemessen. Für die vom Bandstrahlungspyrometer registrierte absolute Strahldichte L^ soll im Spektralbereich i bei Eichung mit einem schwarzen Strahler der Temperatur Tj gelten.

^mit '"¹I² "η* J* Ί* 2 C9)

K, und I; sind dabei Eichkonstanten. Setzt man eine schwarze Umgebungsstrahlung der mittleren Temperatur T_u voraus, gilt für nichttransparente Stoffe:

^L'jj * ^ebi ^Ki ⁷V *' + H- *bi) Ki ^T« ^e/ ™^ii: '- '/²

1 und J =1,2 j

wobei Sbidie Bandemissionsgrade und T_oj die Objekttemperaturen sind. Es läßt sich zeigen, daß aus Gleichung (10) unter Eliminierung der Bandemissionsgrade und der Objekttemperatur T₀₂ folgt:

τ ^l!)( ^Li'i τ ¹¹Y (τ ^e< τ ^l\ hid

Diese Gleichung mit den vier Meßgrößen L₁₁, L₁₂, L₂,i und L₂,₂ enthält als einzige Unbekannte die Objekttemperatur T₀₁, die iterativ eindeutig ermittelt werden kann.

3. Beispiel

Im folgenden soll eine Modifikation des letztgenannten Verfahrens beschrieben werden, bei der von einer unbekannten Umgebungsstrahlung L_u1 bzw. L_u2 in beiden Spektralbereichen ausgegangen wird. In diesem Fall muß die am Beginn der Erwärmung des Meßobjektes vorhandene Objekttemperatur T₀ bekannt sein. Die vom Meßobjekt ausgehende Strahlung wird bei der Temperatur T₀ und den beiden unbekannten Objekttemperaturen T_o1 und T₀₂ in jeweils zwei Spektralbereichen gemessen.

Für die sechs gemessenen Strahldichten Lj₁- (mit i = 1,2 und j = 0,1,2) gilt bei den Temperaturen T_oj (j = 0,1,2):

'i j ^Ä ^£bi *> ^T°j '< Η' ^ebi) ^Lw rnit'/—//2 (12)

Aus diesen sechs Gleichungen läßt sich unter Eliminierung aller L_ui/ z_b] und T_o2 Gleichung (13) herleiten:

₀₀ Jt too

-Too J-T₀₀ ϊΟ (Ί3)

Wiederum kannT_oi iterativ eindeutig bestimmt werden. Unter Verwendung der Gleichung (12) ergeben sich damit auch alle anderen unbekannten Größen. Man erkennt den Vorteil des beschriebenen Meßverfahrens: Die Erkennung des Emissionsgradverlaufes des Probestrahlers erfolgt durch die Betrachtung seiner Strahlung bei verschiedenen Objekttemperaturen. Da bei fast allen pyrometrischen Messungen verfahrensbedingt unterschiedliche Objekttemperaturen auftreten, stellt die Vorgehensweise der Messung keine Einschränkung im Sinne einer besonderen Meßbedingung dar. Außerdem kann das mit den Gleichungen (12) und (13) beschriebene Verfahren bei thermodynamischen Vorgängen mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei als Anfangstemperatur jeweils die berechnete Endtemperatur der vorherigen Messung benutzt wird.

Claims

-1- 640 89

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Messung der Infrarotstrahlung von Körpern im Niedertemperaturbereich durch Messung der bei mindestens zwei Wellenlängen auf einen Infrarotsensor einfallenden Strahlung und anschließender Auswertung der gemessenen Strahldichten, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlung desselben Objektes bei wenigstens zwei von der Umgebungstemperatur unterschiedlichen Objekttemperaturen gemessen und wenigstens vier Meßwerte (Strahldichten bei zwei Temperaturen und zwei Wellenlängen) gemeinsam ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahldichten bei zwei Temperaturen in drei Wellenlängen gemessen werden.
3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahldichten in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen bei zwei Temperaturen gemessen werden.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahldichten in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen bei einer ersten bekannten und zwei weiteren Temperaturen gemessen werden.
5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für weitere Messungen die jeweils zuvor als letzte Werte zu den zugehörigen Wellenlängen gemessenen Werte gespeichert und als erste Werte in die neue Messung eingehen.