DD239267A1

DD239267A1 - Pyrometer zur temperaturmessung

Info

Publication number: DD239267A1
Application number: DD85278363A
Authority: DD
Inventors: Guenter Mohs; Burkhard Dohmeyer
Original assignee: Weinert E Messgeraetewerk
Priority date: 1985-07-08
Filing date: 1985-07-08
Publication date: 1986-09-17
Also published as: DE3616505A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer zur Temperaturmessung zur Anwendung in der Prozess- und Betriebsmesstechnik. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, bei dem die Herstellungskosten gesenkt, die Bedienfunktionen minimiert und die Einsatzbreite erweitert werden und dass das erfindungsgemaesse Pyrometer bei robustem, unkompliziertem Aufbau bei kurzer Einstellzeit die Temperaturmessung eines Messgutes mit unbekanntem Emissionsgrad bei hoher Messgenauigkeit ermoeglicht. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das Pyrometer die vom Messgut ausgehende Temperaturstrahlung ueber eine Optik auf eine Vorrichtung fokussiert und auf drei Detektoren leitet, denen jeweils Logarithmiernetzwerke nachgeschaltet sind, die ihrerseits in Verbindung mit einem Summationsnetzwerk stehen, dem ein Spannungsteiler in Verbindung mit einem Delogarithmiernetzwerk nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang sich ein Wandler befindet und eine Temperaturanzeige angeschaltet sein kann. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Prozess- und Betriebsmesstechnik. Die aufgefuehrten Patentschriften beruehren das Messproblem und wurden deshalb ausgewaehlt.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer zur Temperaturmessung auf der Basis der Mehrkanalpyrometrie zur Anwendung in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik, insbesondere zur Temperaturmessung in der Metallurgie, der Glas-und Zementindustrie und der werkzeugherstellenden Industrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Temperaturmessungen auf der Basis der Strahlungsenergiemessung werden in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik seit längerer Zeit angewendet. Ihnen haftet der Mangel an, daß der Emissionsgrad ε des Meßgutes bekannt sein muß. Der Emissionsgrad ε eines nichtschwarz strahlenden Meßgutes ist abhängig von der spektralen Empfindlichkeit des Meßgerätes (Pyrometers) und von der Temperatur des Meßgutes selbst. Daher muß das Pyrometer Vorrichtungen zum Korrigieren des Emissionsgrades ε (Einsteller, Rechner o. ä.) aufweisen.

Pyrometer, die in mehreren Spektralbereichen messen, unterdrücken in der Regel den Einfluß des Emissionsgrades ε auf ein bestimmtes Maß. Dabei wird entweder vorausgesetzt, daß das Meßgut „grau" strahlt, was für bestimmte Meßgüter, speziell bei höheren Temperaturen, in guter Näherung gilt, oder die spektrale Abhängigkeit von der Temperatur ist bekannt und wird dem Pyrometer als Datensatz (Information) mitgegeben. Hierzu zählen die bekannten Verhältnispyrometer und in neuerer Zeit auch die Mehrkanalpyrometer.

Jedes Meßgut mit einem Emissionsgrad ε < 1 reflektiert einen Anteil der Strahlung der Umgebung proportional zu seinem Reflexionsgrad ς, so daß besonders bei Messung im mittleren Temperaturbereich dieser Anteil eine wesentliche Rolle spielt.

Durch Messung der Umgebungstemperatur und Einrechnung in das Meßergebnis kann der Einfluß zwar vermindert werden, die Meßwerte sind jedoch, da die Umgebungstemperaturstrahlung im allgemeinen zeitlich und räumlich nicht stationär auftritt, mit nichtdeterminierten Fehlern behaftet.

Pyrometer, die in mehreren Spektralbereichen messen, lassen unter der Annahme, daß das Meßgut sich als „grauer Strahler" erweist, die Bestimmung des Emissionsgrades und des Reflexionsgrades ς = 1 - ε zu, wenn der Transmissionsgrad τ vernachlässigbar ist, was bei nichttransparentem Meßgut von vornherein gegeben ist. Ein derartig messendes Pyrometer ist in der Patentschrift DD 219571 beschrieben. Diewahre Temperaturwird dort durch einen internen Rechner ermittelt, deraus den gemessenen Intensitäten der spektralen Meßbereiche eine Strahldichtekurve durch Iteration nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz ermittelt. Das Meßergebnis wird nach einigen Sekunden angezeigt. Gleichzeitig kann der Emissionsgrad ε und die Umgebungstemperatur ausgegeben werden, wobei der Emissionsgrad ε dann nicht in Beziehung zu einem Spektralbereich steht, gleichzeitig ist die Umgebungstemperatur eine „gemittelte" Größe in Abhängigkeit von den spektralen Meßbereichen.

Ein weiteres Verfahren, das in der Patentschrift US 3922550 beschrieben wird, setzt ebenfalls den Emissionsgrad nicht als Funktion von der Wellenlänge der Strahlung (Spektralbereich) an und setztweiterhin graue Strahlung voraus. Es werden zwei spektrale Meßbereiche verwendet. Auf zwei Strahlungsempfänger wird die Strahlung geleitet, das Ausgangssignal wird logarithmiert und einem Summationsnetzwerk zugeleitet. Hier kann der Emissionsgrad ε eliminiert und die Temperatur angezeigt werden, auch der Emissionsgrad ε ist darstellbar.

Beiden Verfahren — gemäß DD 219571 und US 3922550—haftet der entscheidende Mangel an, daß der Emissionsgrad ε als konstant vorausgesetzt und nicht in Bezug zum Spektralbereich gebracht wird. Gleichermaßen wird eine relativ lange Einstellzeit angesetzt.

Gemäß Patentschrift DE 1 648233 wird ein Emissionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge angesetzt, wobei die Wellenlängen in ganz bestimmtem Verhältnis zueinander stehen müssen. Dann gelingt es, nach einer Logarithmierschaltung und einem Summationsnetzwerk ein dem Emissionsgrad ε, der einem realen Mittelwert der gewählten Spektralbereiche entspricht, proportionales Signal zu gewinnen, das von der Meßtemperatur unabhängig ist. Damit ist es dann möglich, die Temperatur des strahlenden Meßgutes zu bestimmen.

Allen beschriebenen Ausführungen haftet der Mangel an, daß mit hohem Aufwand eine relativ komplizierte Meßeinrichtung geschaffen wurde, die es bei Berücksichtigung von mehr oder weniger bedeutsamen Voraussetzungen gestattet, die wahre Temperatur des Meßgutes zu ermitteln.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das die angeführten Nachteile der bekannten technischen Lösungen vermeidet und dabei die Herstellunaskosten wesentlich stark senkt, ohne die Einsatzmöalichkeiten zu

Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei unkomplizierter, robuster Ausführung der Einsatz auch in explosionsgefährdeten Räumen infolge der potentialfreien Messung erfolgen kann. Weiterhin werden keine Anforderungen an den Emissionsgrad ε des Meßgutes gestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird gegenüber bekannten Lösungen die Anzahl der Bauelemente wesentlich verringert und das Bauvolumen minimiert. Der Einsatz dieses Pyrometers schafft die vorteilhafte Tatsache, daß keine äußere Einstellvorrichtung für den Emissionsgrad ε vorhanden sein muß, was sich positiv auf die Betriebszuverlässigkeit und die Lebensdauer auswirkt.

Nicht unerwähnt bleiben soll der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung, der in der nahezu freizügigen Auswahlmöglichkeit der verwendeten Spektralbereiche besteht, die nur in einer bestimmten Reihenfolge ausgewertet werden. Damit gestattet die erfindungsgemäße Ausführung eine universelle Messung, ohne Rücksicht auf vorgeschriebene Verknüpfungen der Wellenlängen der Strahlung nehmen zu müssen.

Schließlich sei noch der Vorteil der kurzen Einstellzeit des erfindungsgemäßen Pyrometers in Verbindung mit der Minimierung der Bedienungsfunktionen zu erwähnen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das bei kurzer Einstellzeit die Temperaturmessung eines Meßgutes mit unbekanntem Emissionsgrad ε und realer Abhängigkeit des Emissionsgrades ε von der Wellenlänge der Strahlung und der Meßguttemperatur gestattet und ferner bei robustem und unkompliziertem Aufbau unter Beibehaltung der notwendigen Meßgenauigkeit die Einsatzbreite erweitert sowie unabhängig von der Einbaulage arbeitet, die erforderlichen Bedienfunktionen minimiert und neben einer Temperaturanzeige ein in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik sowie Automatisierungstechnik übliches elektrisches Ausgangssignal liefert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Pyrometer zur Temperaturmessung bei vermindertem Emissionsgradeinfluß die vom Meßgut ausgehende Temperaturstrahlung, die durch eine Optik fokussiert wird, durch geeignete Mittel, beispielsweise Infrarotfilter, in drei spektrale Bereiche aufteilt und auf drei Detektoren leitet, denen elektronische Logarithmiernetzwerke nachgeschaltet sind, die wiederum in Verbindung mit einem Spannungsteiler stehen, dem ein Summationsnetzwerk vorgeschaltet ist, wobei der Ausgang des Spannungsteilers mit einem Delogarithmiernetzwerk verbunden ist, an dessen Ausgangsleitung sowohl ein Wandler zur Darstellung eines der Temperatur des Meßgutes proportionalen elektrischen Signales als auch eine Temperaturanzeige angeschlossen sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild des Pyrometers zur Temperaturmessung. Die Temperaturstrahlung 15, die der Temperatur des Meßgutes 1 proportional ist, wird durch eine an sich bekannte Optik 2 auf eine Vorrichtung 3 zur spektralen Aufteilung der Temperaturstrahlung 15 fokussiert. Die spektral geteilte Temperaturstrahlung wird auf Detektoren 4,5,6 geleitet, deren Ausgang mit je einem Logarithmiernetzwerk7,8, 9 in Verbindung steht. Die Ausgänge der Logarithmiernetzwerke 7,8,9 werden in einem Summationsnetzwerk 10 zusammengeführt und einem Spannungsteiler 11 zugeführt, der seinerseits auf den Eingang eines Delogarithmiernetzwerkes 12 geschaltet ist, an dessen Ausgang wiederum eine Temperaturanzeige 13 angeschaltet sein kann. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Delogarithmiernetzwerkes 12 auf einen Wandler zur Darstellung eines elektrischen Ausgangssignals 14 geführt, der ein in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik sowie Automatisierungstechnik gebräuchliches elektrisches Signal bereitstellt.

Das zu messende Meßgut 1 sendet eine Temperaturstrahlung 15 aus, die nach Zerlegung in drei spektrale Anteile auf drei Detektoren 4,5,6 geleitet und deren Ausgangssignal in einer komplexen Elektronik verarbeitet wird und zu einem der Temperatur des Meßgutes 1 proportionalen elektrischen Ausgangssignal führt bzw. zur Anzeige gebracht wird. Die Messung erfolgt hierbei weitgehend unabhängig vom Emissionsgrad ε und mit einer kurzen Einstellzeit.

Die Temperaturstrahlung 15, die der Temperatur des Meßgutes 1 proportional ist, wird in drei spektrale AnIeNeO(X₁LO(A₂), Φ(λ₃) zerlegt, wobei als einzige Bedingung für die drei Wellenlängenbereiche λι,λ₂ und X₃ gelten muß: X₁ < X₂ < X₃, was in der Regel immer gegeben ist. Für die Kennlinie der drei Detektoren 4,5,6 gilt

Ιφπ = K_n · ε_η · Τ"^π (η = 1,2,3) (1)

wobei K_n eine Konstante, ε_η der spektrale Emissionsgrad, T die Temperatur des Meßgutes und α_η der von X_n abhängige Exponent ist mit ^₁ > a₂ > a₃. Bei geeigneter Festlegung der spektralen Bereiche läßt sich für die überwiegende Anzahl der Meßgüter ε₂ als

geometrisches Mittel zwischen ε_Ί und ε₃ annähern.

ε₂ = Vei · ε₃ ' (2)

Die Detektorströme Ι_φη werden in den drei Logarithmiernetzwerken 7,8,9 in Spannungen

U_n = log ε_π + α_η · log T (η = 1,2,3) (3)

umgewandelt. Am Ausgang des Summationsnetzwerkes 10 steht eine Spannung U4 zur Verfügung von der Größe

U₄ = U₁ + U₃ - 2U₂ (4)

Diese Funktion wird durch das Summationsnetzwerk 10 realisiert. Mit Gl. 2 und Gl. 3 ergibt sich

U₄ = log ει + log ε₃ - 2 log ε₂ + (a-, + α₃ - 2α₂) log T = (c^ + α₃ - 2α₂) log T (5)

Der Spannungsteiler 11 wandelt U₄ um in

U₅ = log T, (6)

die Spannung U₅ wird auf den Eingang des Delogarithmiernetzwerkes 12 geschaltet, wodurch sich an dessem Ausgang die temperaturproportionale Spannung U₆ einstellt.

U₆ = T (7)

Bei der Herleitung der GIn. 1 bis 7 wurden dimensionslose, also auf die jeweilige Grundeinheit bezogene, Größen angesetzt. Die Spannung U₆ ist der Temperatur des Meßgutes 1 proportional und kann zur Temperaturanzeige 13 gebracht und/oder als elektrisches Ausgangssignal durch den Wandler 14 bereitgestellt werden.

Claims

Patentanspruch:

Pyrometer zur Temperaturmessung auf der Basis der Mehrkanalpyrometrie, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer aus einer an sich bekannten, die vom Meßgut (Dausgehende Temperaturstrahlung (15) auf eine Vorrichtung (3) fokussierenden Optik (2) besteht, wobei die Vorrichtung (3) in bekannter Weise zur spektralen Aufteilung der Temperaturstrahlung (15) in drei spektralen Strahlungen und zur Weiterleitung der spektralen Strahlungen auf drei Detektoren (4, 5,6) eingeschaltet ist, und daß den Detektoren (4, 5, 6) jeweils Logarithmiernetzwerke (7,8,9) nachgeschaltet sind, daß die Ausgänge der Logarithmiernetzwerke (7,8,9) über ein Summationsnetzwerk (10) zusammengeführt sind, das wiederum mit einem Spannungsteiler (11), dem ein Delogarithmiernetzwerk (12) nachgeschaltet ist, in Verbindung steht, und daß am Ausgang des Delogarithmiernetzwerkes (12) ein Wandler (14) angeschaltet ist und eine Temperaturanzeige (13) vorhanden sein kann.