DD254114A3

DD254114A3 - Pyrometrisches messverfahren

Info

Publication number: DD254114A3
Application number: DD85279119A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Kienitz
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1985-07-30
Publication date: 1988-02-17
Also published as: GB8617606D0; GB2179445A; US4880314A; DE3611634A1; GB2179445B; DE3611634C2; JPS6285829A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pyrometrisches Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur To von Oberflaechen mit unterschiedlichen Emissionsgraden durch Messung der spektralen Signalspannungen Uj bei j1 bis n effektiven Wellenlaengen. Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Infrarotstrahlungsmessung bei wenigstens 2 effektiven Wellenlaengen die Information ueber die Objekttemperatur und die aktuell vorliegenden Emissionsgradverhaeltnisse bei ausgewaehlten Oberflaechenmaterialien, wie sie fuer einen Anwender typisch sind, zu gewinnen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die spektralen Signalspannungen Uij in Abhaengigkeit von der Differenz UojUuj fuer eine diskrete Zahl i1 bis m von im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflaechenmaterialien festgestellt, aus den gemessenen spektralen Signalspannungen Uj unter Verwendung der festgestellten Abhaengigkeiten fuer jeden Emissionsgrad eij die hypothetisch moeglichen spektralen Spannungen Uoij und hieraus die wahrscheinliche Objekttemperatur To und das wahrscheinlich zutreffende Oberflaechenmaterial ermittelt werden. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein pyrometrisches Meßverfahren zur Bestimmung der Temperatur T₀ von Oberflächen bzw. Objekten durch die Messung der spektralen Signalspannungen Uj bei j = 1 bis η effektiven Wellenlängen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Gesamtstrahlungspyrometrie ist es üblich, den Emissionsgrad eines Meßobjekts zu schätzen oder durch seine künstliche Erhöhung den Einfluß auf die Verfälschung des Meßergebnisses einer berührungslosen Temperaturmessung zu vermindern.

Die Verfahren lassen jedoch nur eine näherungsweise Bewertung der Objekttemperatur zu und/oder erfordern eine Veränderung der Meßobjektoberfläche bzw. -Umgebung.

Es wurden deshalb verschiedene Verfahren entwickelt, mit Hilfe von Spektral- bzw. Bandstrahlpyrometern durch eine Messung der infraroten Strahlung bei mehreren effektiven Wellenlängen eine emissionsgradunabhängige Temperaturmessung zu erreichen.

Eine erste Gruppe von Verfahren setzt einen linearen Verlauf des Emissionsgrades voraus. Die damit aufgebauten einfachen und 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 einem Bandstrahlungspyrometer.

In DE-OS 1648233 wird ein Meßverfahren vorgeschlagen, welches im Hochtemperaturbereich arbeitet und nach einer Kalibrierung des betreffenden Meßobjektes veränderliche Emissionsgrade durch Bildung eines temperaturinvarianten Bandstrahlungsverhältnissignals berücksichtigt. Nachteilig ist dabei die aufwendige Kalibrierung aller möglichen Emissionsgradverhältnisse, da das Meßverfahren sonst zur Berechnung einer falschen Objekttemperatur führt.

Zur Messung der Infrarotstrahlung des Meßobjekts in mehreren effektiven Wellenlängen werden Mehrkanalpyrometer mit zwei oder drei Kanälen eingesetzt. Die Infrarotstrahlung des Meßobjekts gelangt durch eine Optik auf die Eingänge der Kanäle. Es werden die Signalspannungen Uj der j = 1 bis η kanalspezifischen Wellenlängen gemessen. An die Kanäle ist zur Auswertung ein Steuerrechner und an den Steuerrechner eine Dialogeinheit angeschlossen. Im Steuerrechner ist die am Schwarzen Strahler kalibrierte Abhängigkeit der spektralen Signalspannungen U_oj und U_uj von der Oberflächentemperatur T₀ bzw. der Umgebungstemperatur T_u gespeichert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, sowohl im Hoch- als auch im Niedertemperaturbereich die Meßsicherheit zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Infrarotstrahlungsmessung bei wenigstens zwei effektiven Wellenlängen die Information über die Objekttemperatur und die aktuell vorliegende Emissionsgradverhältnisse bei ausgewählten Oberflächenmaterialien, wie sie für einen Anwender typisch sind, zu gewinnen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst die spektralen Signalspannungen Ujjfüri = 1 bism potentiell möglichen verschiedenen Emissionsgrade objektspezifisch gemessen und die ihnen entsprechenden Emissionsgrade abgespeichert werden, sodann die am speziell zu betrachtenden Objekt gemessenen Werte Uj für die j = 1 bis η Wellenlängenbereiche mit jedem der m zuvor ermittelten Werte ε^· bewertet werden und aus den m Gruppen der bewerteten Signalspannungen υ,,-die Gruppe mit den geringsten Abweichungen der bewerteten Signalspannungen untereinander ermittelt wird

Aus dem bekannten Zusammenhang

U,j =e,j U₀J+ (1-6Ij)U₁₁,-Um

miti = 1 ...m im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen

j = 1 ... η Wellenlängen

ο Oberfläche

u Umgebung

folgen für eine gemessene spektrale Signalspannung Uj die theoretisch möglichen

U₀,, = -^-+Um ^£ii

wobei für Sjj der vorher durch Messung festzustellende Zusammenhang

^J IJ. IJ.

für alle i einzusetzen ist. Beim Einsetzen der zutreffenden Emi-ssionsgradverhältnisse ε_!} ist die Streuung der den U_oij über eine Kalibrierungskennlinie zugeordneten Objekttemperaturen theoretisch Null und praktisch klein. Den Werten mit der kleinsten Streuung kann mit großer Sicherheit die tatsächliche Objekttemperatur zugeordnet werden, insbesondere dann, wenn ihre Streuung unterhalb eines vorher festzulegenden Schwellwertes liegt.

Die Messung kann mit einem Mehrkanalpyrometer mit Steuerrechner und Dialogeinheit(en) ausgeführt werden. Die Abhängigkeit der spektralen Signalspannungen \J_Vl von U_Oj - U_uj wird für eine diskrete Zahl i = 1 bis m von für den Anwender typischen im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen „vor Ort" gemessen und gespeichert.

Mit einer derartigen Konfiguration ist Echtzeitbetrieb möglich, so daß fortlaufend neue Strahlungsmeßwerte behandelt werden können. Die Zahl der notwendigen spektralen Meßbereiche wird dabei maßgeblich von der Zahl der zu unterscheidenden Materialien bzw. deren Emissionsgradverläufen sowie der notwendigen Erkennungssicherheit bestimmt.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: die Abhängigkeit der Differenz U_oj - U_uj von der Temperatur eines Schwarzen Strahlers und Fig. 2: eine Anordnung zur Durchführung der Messung.

Die Temperaturstrahlung eines Meßobjekts 1 gelangt durch eine Infrarotoptik 2 auf die η = 3 Kanäle eines Mehrkanalwechsellichtpyrometers 3. Am Ausgang der Kanäle werden die spektralen Signalspannungen Uj gemessen. Nach einer (nicht dargestellten) Analog/Digital-Wandlung werden die Uj einem Steuerrechner 4 zugeführt. Der Steuerrechner 4 ist mit einem nichtflüchtigen RAM 6 und einer bzw. mehreren üblichen Dialogeinheiten 5 gekoppelt. Im RAM 6 sind anwenderspezifisch die Abhängigkeit der Signalspannungen U₁₁ von den Differenzen U_Oj - U_uifüri = 10 im Emissionsgrad unterschiedliche Oberflächen gespeichert. Wie üblich werden die spektralen Signalspannungen U_oj - U_uj bei der Oberflächentemperatur T₀ und der Umgebungstemperatur T_u am Schwarzen Strahler kalibriert und im ROM des Steuerrechners gespeichert. Die Speicherung der Kalibrierwerte für die Schwarzstrahlerkennlinie geschieht werksseitig im ROM. Die Ermittlung der Emissionsgrade und ihre Speicherung im nichtflüchtigen RAM erfolgt beim Anwender entsprechend seinem Meßproblem. Bei der Temperaturmessung eines Objekts mit unbekanntem Emissionsgraden werden zunächst die η = 3 Spann -igen U₁. ..U₃ gemessen. Gemäß Gleichung 2 werden den für die 10 Materialien gespeicherten 30 Emissionsgraden Sjj30 hypothetische Spannungen U_oij ermitteil· In der Matrix dieser Spannungswerte entsprechen jeder Zeile U_oii, U_Oi2, U_oi3 gemäß den im ROM gespeicherten Kalibrierkennlinien die Temperaturwerte T_oi1, T_oi2 und T_o,3.

Bei einer Variante des Ausführungsbeispiels werden alle diese Werte ausgedruckt und Zeile für Zeile miteinander verglichen. Liegen die Werte in einer Zeile sehr dicht beieinander, dann kann mit großer Wahrscheinlichkeit angenommen werden, daß damit die wahre Objekttemperatur ermittelt wurde und es sich um das Material, das dieser Zeile entspricht, handelt.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Aussage wird in einer zweiten Variante aus den T_oij jeder Zeile der jeweilige Mittelwert T₀, und über die im ROM gespeicherten Kalibrierkennlinien die dem Mittelwert entsprechenden U_oij bestimmt. Danach wird zeilenweise die Streuung der Spannungen

Si = - Σ (Uoij-Uuij)² fürn = 3

η j = 1

errechnet und im Vergleich aller 10 Werte der kleinste ermittelt. Die dieser Zeile zugehörige mittlere Temperatur T_oi wird als die wahre Temperatur angenommen, wobei die Sicherheit dieser Aussage höher ist, als die bei der ersten Variante. Da durchaus die Temperatur eines Objekts gemessen werden kann, dessen spektrale Emissionsgrade nicht kalibriert wurden, wird zur weiteren Erhöhung der Sicherheit in einer dritten Variante die nach der zweiten Variante ermittelte kleinste Streuung S, mit einem Schwellwert verglichen. Liegt die kleinste Streuung über diesem Schwellwert, gilt das Material als nicht kalibriert.

Claims

Pyrometrisches Meßverfahren zur Bestimmung der Temperatur T₀ von i = 1 bis m im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen bzw. Objekten durch die Messung der spektralen Signalspannungen Uj bei j = 1 bis η effektiven Wellenlängen und einer durch Kalibrierung festgestellten Abhängigkeit der Differenz U_Oj — U_Uj von den Temperaturen des Schwarzen Strahlers, gekennzeichnet dadurch, daß zunächst die spektralen Signalspannungen Uy für i = 1 bis m potentiell möglichen verschiedenen Emissionsgrade objektspezifisch gemessen und die ihnen entsprechenden Emissionsgrade s_Vi gespeichert werden, sodann dieam speziell zu betrachtenden Objekt gemessenen Werte U₁ für die j = i bis η Wellenlängenbereiche mit jedem m zuvor ermittelten Werte Sy bewertet werden und aus den m Gruppen der bewerteten Signalspannungen U₁J die Gruppe mit den geringsten Abweichungen der bewerteten Signalspannungen untereinander ermittelt wird.

Hierzu
2 Seiten Zeichnungen