DD239267A1 - PYROMETER FOR TEMPERATURE MEASUREMENT - Google Patents
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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.The invention relates to a pyrometer for temperature measurement for use in process and operational metrology. The aim and object of the invention is to provide a pyrometer for temperature measurement, in which the manufacturing costs are reduced, the operating functions minimized and the range of application are expanded and that the inventive pyrometer in a robust, straightforward construction with short response time, the temperature measurement of a sample with unknown emissivity high measuring accuracy. The essence of the invention consists in that the pyrometer focuses the temperature radiation emanating from the measured material on an apparatus and directs it to three detectors, each of which is followed by logarithmic networks, which in turn are in connection with a summing network to which a voltage divider in conjunction with a Delogarithmiernetzwerk downstream, at the output of which there is a converter and a temperature display can be turned on. Field of application of the invention is the process and operational metrology. The listed patents touch the measurement problem and have therefore been selected.
Description
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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.The invention relates to a pyrometer for temperature measurement based on multi-channel pyrometry for use in process and Betriebsmeßtechnik, in particular for temperature measurement in metallurgy, the glass and cement industry and the tool manufacturing industry.
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.Temperature measurements on the basis of the radiation energy measurement have been used in process and Betriebsmeßtechnik for some time. You are liable for the lack that the emissivity ε of the material to be measured must be known. The emissivity ε of a non-black radiant material is dependent on the spectral sensitivity of the instrument (pyrometer) and the temperature of the material itself. Therefore, the pyrometer must have devices for correcting the emissivity ε (adjuster, computer o. Ä.).
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.Pyrometers, which measure in several spectral ranges, usually suppress the influence of the emissivity ε on a certain level. It is either assumed that the sample "gray" radiates, which applies to certain items, especially at higher temperatures, in good approximation, or the spectral dependence on the temperature is known and is the pyrometer as a record (information) given the well-known ratio pyrometers and, more recently, the multichannel pyrometers.
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.Each material to be measured with an emissivity ε <1 reflects a portion of the radiation of the environment proportional to its reflectance ς, so that this component plays an essential role, especially when measured in the medium temperature range.
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.Although the influence can be reduced by measuring the ambient temperature and including it in the measurement result, the measured values are subject to nondeterminable errors since the ambient temperature radiation generally does not occur stationary in time and space.
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.Pyrometers measuring in several spectral ranges allow the determination of the emissivity and the degree of reflection ς = 1 - ε on the assumption that the measurement material proves to be a "gray emitter", if the transmittance τ is negligible, which is not the case with nontransparent material Such a measuring pyrometer is described in patent specification DD 219571. The true temperature is determined there by an internal computer, which determines from the measured intensities of the spectral measuring ranges a radiance curve by iteration according to Planck's law of radiation.The measuring result becomes after a few seconds At the same time, the emissivity ε and the ambient temperature can be output, whereby the emissivity ε is then not related to a spectral range, at the same time the ambient temperature is an "averaged" quantity as a function of the spectral measuring ranges.
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.Another method, described in US Pat. No. 3,921,550, also does not set the emissivity as a function of the wavelength of the radiation (spectral range) and further assumes gray radiation. Two spectral measuring ranges are used. On two radiation receiver, the radiation is conducted, the output signal is logarithmiert and fed to a summation network. Here, the emissivity ε can be eliminated and the temperature can be displayed; the emissivity ε can also be displayed.
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.Both methods - according to DD 219571 and US 3922550-adhere to the crucial shortcoming that the emissivity ε is assumed to be constant and not related to the spectral range. Similarly, a relatively long response time is set.
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.According to patent DE 1 648233, an emissivity depending on the wavelength is used, wherein the wavelengths must be in a specific relationship to one another. Then, after a logarithmic circuit and a summation network, it is possible to obtain a signal proportional to the emissivity ε, which corresponds to a real average of the selected spectral ranges, which signal is independent of the measuring temperature. This makes it possible to determine the temperature of the radiant material to be measured.
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.All described embodiments is liable to the defect that with great effort a relatively complicated measuring device has been created, which allows taking into account more or less significant conditions to determine the true temperature of the measured material.
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 zuThe aim of the invention is to provide a pyrometer for temperature measurement, which avoids the mentioned disadvantages of the known technical solutions and thereby significantly reduces the production overheads, without the Einsatzmölichkeiten
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.The useful effect in the application of the invention is the fact that in uncomplicated, robust design of the use can also be made in potentially explosive areas due to the potential-free measurement. Furthermore, no requirements are placed on the emissivity ε of the material to be measured.
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.In the embodiment according to the invention, the number of components is significantly reduced compared to known solutions and minimizes the volume of construction. The use of this pyrometer provides the advantageous fact that no external adjustment device for the emissivity ε must be present, which has a positive effect on the operational reliability and the life.
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.It should not go unmentioned the useful effect in the application of the invention, which consists in the almost permissive choice of spectral ranges used, which are evaluated only in a specific order. Thus, the embodiment of the invention allows a universal measurement, without having to take into account prescribed combinations of the wavelengths of the radiation.
Schließlich sei noch der Vorteil der kurzen Einstellzeit des erfindungsgemäßen Pyrometers in Verbindung mit der Minimierung der Bedienungsfunktionen zu erwähnen.Finally, the advantage of the short response time of the pyrometer according to the invention in connection with the minimization of the operating functions should be mentioned.
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.The present invention has for its object to provide a pyrometer for temperature measurement, the temperature measurement of a sample with unknown emissivity ε and real dependence of the emissivity ε of the wavelength of the radiation and the product temperature allows for a short response time and further with a robust and straightforward structure Maintaining the necessary measurement accuracy widens the range of application and operates independently of the installation position, minimizes the required operating functions and, in addition to a temperature display, provides a conventional electrical output signal in process and operational measurement technology and automation technology. According to the invention, the object is achieved in that the pyrometer for temperature measurement at a reduced emissivity Einfluß outgoing from the Meßgut temperature radiation, which is focused by optics, divided by suitable means, such as infrared filters, in three spectral ranges and three detectors leads, which electronic logarithmic networks downstream are, in turn, in conjunction with a voltage divider, which is preceded by a summation network, the output of the voltage divider is connected to a Delogarithmiernetzwerk, at the output line both a transducer for displaying a temperature of the Meßgutes proportional electrical signal and a temperature display are connected ,
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.The invention will be explained below with reference to an embodiment. 1 shows the block diagram of the pyrometer for temperature measurement. The temperature radiation 15, which is proportional to the temperature of the measured material 1, is focused by a per se known optics 2 on a device 3 for the spectral distribution of the temperature radiation 15. The spectrally divided temperature radiation is directed to detectors 4, 5, 6 whose output is connected to a logarithmic network 7, 8, 9 in each case. The outputs of the logarithmic networks 7,8,9 are combined in a summation network 10 and fed to a voltage divider 11, which in turn is connected to the input of a Delogarithmiernetzwerkes 12, at the output turn a temperature indicator 13 may be turned on. At the same time, the output signal of the Delogarithmiernetzwerkes 12 is guided to a transducer for displaying an electrical output signal 14, which provides a common in the process and Betriebsmeßtechnik and automation technology electrical signal.
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.The measured material 1 to be measured emits a temperature radiation 15 which, after separation into three spectral components, is directed to three detectors 4, 5, 6 and whose output signal is processed in a complex electronic system and leads to an electrical output signal proportional to the temperature of the material 1 to be measured or is displayed. The measurement is largely independent of the emissivity ε and with a short response time.
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 giltThe temperature radiation 15, which is proportional to the temperature of the measured material 1, is decomposed into three spectral AnIeNeO (X 1 LO (A 2 ), Φ (λ 3 )), the only condition being valid for the three wavelength ranges λι, λ 2 and X 3 must: X 1 <X 2 <X 3 , which is always given in general For the characteristic of the three detectors 4,5,6 applies
Ιφπ = Kn · εη · Τ"π (η = 1,2,3) (1)Ιφπ = K n · ε η · Τ " π (η = 1,2,3) (1)
wobei Kn eine Konstante, εη der spektrale Emissionsgrad, T die Temperatur des Meßgutes und αη der von Xn abhängige Exponent ist mit ^1 > a2 > a3. Bei geeigneter Festlegung der spektralen Bereiche läßt sich für die überwiegende Anzahl der Meßgüter ε2 alswhere K n is a constant, ε η is the spectral emissivity, T is the temperature of the material under test and α η is the exponent dependent on X n , with ^ 1 > a 2 > a 3 . With suitable definition of the spectral ranges can be for the vast majority of the measured material ε 2 as
geometrisches Mittel zwischen εΊ und ε3 annähern.approximate geometric mean between ε Ί and ε 3 .
ε2 = Vei · ε3 ' (2)ε 2 = Vei · ε 3 '(2)
Die Detektorströme Ιφη werden in den drei Logarithmiernetzwerken 7,8,9 in SpannungenThe detector currents Ι φη become voltages in the three logarithm networks 7, 8, 9
Un = log επ + αη · log T (η = 1,2,3) (3)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 Größetransformed. At the output of the summation network 10, a voltage U4 is available of the size
U4 = U1 + U3 - 2U2 (4)U 4 = U 1 + U 3 - 2U 2 (4)
Diese Funktion wird durch das Summationsnetzwerk 10 realisiert. Mit Gl. 2 und Gl. 3 ergibt sichThis function is realized by the summation network 10. With Eq. 2 and Eq. 3 results
U4 = log ει + log ε3 - 2 log ε2 + (a-, + α3 - 2α2) log T = (c^ + α3 - 2α2) log T (5)U 4 = log ει + log ε 3 - 2 log ε 2 + (a-, + α 3 - 2α 2 ) log T = (c ^ + α 3 - 2α 2 ) log T (5)
Der Spannungsteiler 11 wandelt U4 um inThe voltage divider 11 converts U 4 in
U5 = log T, (6)U 5 = log T, (6)
die Spannung U5 wird auf den Eingang des Delogarithmiernetzwerkes 12 geschaltet, wodurch sich an dessem Ausgang die temperaturproportionale Spannung U6 einstellt.the voltage U 5 is switched to the input of the Delogarithmiernetzwerkes 12, whereby at its output, the temperature-proportional voltage U 6 sets.
U6 = T (7)U 6 = 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.In the derivation of the GIn. 1 to 7 were dimensionless, so related to the respective basic units, sizes. The voltage U 6 is the temperature of the measured material 1 proportional and can be brought to the temperature display 13 and / or provided as an electrical output signal through the transducer 14.
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