DD285417A5 - Verfahren zur beruehrungslosen messung von temperatur und/oder bandemissionsgraden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Temperatur und/oder Bandemissionsgraden von Messobjekten mit veränderlichen Oberflächenemissionseigenschaften mittels einer mehrkanalpyrometrischen Anordnung. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass, ausgehend von der Messung der Signalspannungen U ind k mit einer in k=1 bis n verschiedenen spektralen Bereichen empfindlichen mehrkanalpyrometrischen Anordnung, herstellungsseitiger Kalibrierung der Abhängigkeit der Signalspannungen U ind k von der Temperatur eines Schwarzen Strahlers und objektspezifischer Kalibrierung der die i=1 bis m verschiedenen Emissionszustände des Messobjekts charakterisierenden Epsilon ind ik, in Ergänzung der objektspezifischen Kalibrierung aus den objektspezifischen Emissionsgraden Epsilon ind ik die kanalspezifischen Exponenten, für die das Produkt der mit diesen Exponenten potenzierten Signalspannungen U ind k bei einer Temperatur für alle Emissionszustände des Messobjekts in etwa konstant gleich c ist, und die objektspezifische Kalibrierkurve der Konstante c in Abhängigkeit von der Objekttemperatur ermittelt werden und bei der bestimmungsgemäßen Messung von Temperatur oder/und Bandemissionsgraden neben den Signalspannungen U ind k das Produkt der mit den kanalspezifischen Exponenten potenzierten Signalspannungen gemessen wird. Es wurde gefunden, dass es offensichtlich für eine ganze Reihe von Messobjekten mit verschiedenen Emissionszuständen spektrale Exponenten c ind k gibt, für die das Produkt der mit ihnen potenzierten Signalspannungen für alle betrachteten Emissionszustände desselben Objekts hinreichend konstant, d.h., weitgehend emissionsgradunabhängig ist. Dadurch gelten die Messergebnisse nicht nur für die i=1 bis m verschiedenen Bandemissionsgrade Epsilon ind ik, die der objektspezifischen Kalibrierung zugrunde lagen, sondern darüber hinaus mit hoher Genauigkeit für weitere nicht kalibrierte Emissionszustände desselben Objekts. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, dass die Messzeit wesentlich verkürzt werden kann.{Messung berührungslos; Temperatur; Bandemissionsgrad; Mehrkanalpyrometer; Signalspannung; Schwarzer Strahler; Emissionszustand; Emissionsgrad}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Temperatur und/oder Bandemissionsgraden von Meßobjekten mit veränderlichen Oberflächenemissionseigenschaften mittels einer mehrkanalpyrometrischen Anordnung.

Charakteristik des bekonnten Standes der Technik

Üblicherweise erfolgt die Bestimmung der Oberflächentemperatur mittels Strahlungsmessungen in einem spektralen Bereich k nach Gleichung (1), in welcher die Signalspannung U_k mit dem Emissionsgrad ε^ der Objekttemperatur T₀ verknüpft ist.

U_k = 8_kxf_k(T)miti = 1,...,n (1)

Hierbei repräsentiert f_k die im spektralen Bereich k zutreffende Temperaturkennlinie. Da e_k jedoch im Anwendungsfall ebenfalls unbekannt ist, läßt sich die Objekttemperatur al'ein aus diesem Zusammenhang nicht ermitteln. Es existieren jedoch darauf aufbauende Verfahren, die es gestatten, durch Messung in mehreren spektralen Bereichen und gleichzeitiger Annahme bestimmter Nebenbedingungen alle unbekannten Größen zu ermitteln.

Eine übliche Nebenbedingung ist, daß das Meßobjekt ein sog. grauer Strahler ist, d. h., es wird unterstellt, daß die Bandemissionsgrade e_k in allen spektralen Bereichen denselben Wert haben. Ober es werden lineare Verläufe der Bandemissionsgrade unterstellt. Bei diesen und ähnlichen Verfahren führen bereits geringe Abweichungen von den vorausgesetzten Emissionsgradverteilungen zu erheblichen Meßfehlern.

In DD-WP 254114 wurde vorgeschlagen, für wiederholte Messungen an ein und demselben Objekt, das i = 1 bis m verschiedene Emissionszustände annehmen kann, die den potentiell möglichen Emissionszuständen entsprechenden verschiedenen Bandemissionsgrade 8,_k objektspezifisch zu messen und zu speichern, mit den gespeicherten Werten die Signalspannungen Uk zu bewerten und aus den m Gruppen der bewerteten Signalspannungen diejenige mit den geringsten Abweichungen als offensichtlich zutreffend für die Objekttemperatur bzw. den momentanen Emissionszustand auszuwählen. Es wurde eine hohe Meßgenauigkeit nachgewiesen. Nachteilig ist allerdings, daß der zeitliche Aufwand relativ groß ist und die Genauigkeit des Verfahrens an sich prinzipiell auf die m Emissionszustände des Objekts beschrankt ist, für die die Kalibrierung vorgenommen wurde.

In DD-WP 213292 wird davon ausgegangen, daß für die Bandemissionsgrade in benachbarten spektralen Bereichen mit der effektiven Wellenlänge und gleichmäßigem Bandabstand Gleichung (2) gilt.

(ε[λ))² = ε (λ-Δλ) χ ε (λ + M) (2)

Gültigkeitsvoraussetzung ist eine geringe spektrale Bandbreite der Meßkanäle, wodurch die Temperaturauflösung im Niedertemperaturbereich negativ beeinflußt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Oberflächentemperaturen und/oder Bandemissionsgrade von Objekten mit wechselnden Emissionsoigenschaften mit einer hohen Meßgenauigkeit zu ermitteln.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung Ist es, das Verfahren nach DD-WP 254114 so weiterzuentwickeln, daß seine hohe Genauigkeit auch bei wesentlich verkürzter Meßzeit und weitgehend emissionsgradunabhängig, d. h., für eine größere Zahl von Emissionszuständen, als nur die kalibrierten, erzielt wird.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, daß, ausgehend von der Messung der Signalspannungen Uk mit einer in k = 1 bis η verschiedenen spektralen Bereichen empfindlichen mahrkanalpyrometrischen Anordnung, herstallungsseitiger Kalibrierung der Abhängigkeit der Signalspannungen U_k von der Temperatur eines Schwarzen Strahlers und objektspezifische Kalibrierung der die i = 1 bis m verschiedenen Emissionszustände des Meßobjekts charakterisierenden ε_{( k}, in Ergänzung der objektspezifischen Kalibrierung aus den objektspezifischen Emissionsgraden e_ik die kanalspezifischen Exponenten, für die das Produkt der mit diesen Exponenten potenzierten Signalspannungen U_k bei einer Temperatur für alle Emissionszustände des Meßobjekts in etwa konstant gleich c ist, und die objektspezifische Kalibrierkurve der Konstante c in Abhängigkeit von der Objekttemperatur ermittelt werden und bei der Messung von Temperatur oder/und Bandemissionsgraden neben den Signalspannungen U_k das Produkt der mit den kanalspezifischen Exponenten potenzierten Signalspannungen gemessen wird. Es wurde gefunden, daß es offensichtlich für eine ganze Reihe von Meßobjekten mit verschiedenen Emissionszuständen spektrale, Exponenten c_k gibt, für die bei einer Temperatur

η c_k C=^₁U₁, (3)

für alle betrachteten Emissionszustände hinreichend konstant, d. h., weitgehend emissionsgradunabhängig ist bzw., unter Verwendung von Gl. (1), in

C-CO₁^Z₁WT) (4)

ein temperatur- und emissionsgradunabhängiger Faktor

η Ck C₀= _k Z₁Ek (5)

existiert.

Die Exponenten c_k können durch näherungsweise Lösung des homogenen linearen Gleichungssystems

η m

Σ (Ck x . Σ (In e_ik x In ε₄)) = 0 (6)

mit j = Obis η, c, = 1, In ε_ί0 = -1 undc„ = lnc'„

ermittelt werden.

Dadurch, daß die Exponenten c_k weitgehend unabhängig vom Emissionsgrad sind, gelten die Meßergebnisse nicht nur für die i = 1 bis m verschiedenen Bandemissionsgrade eik, die der objektspezifischen Kalibrierung zugrunde lagen, sondern darüber hinaus mit hoher Genauigkeit für weitere nicht kalibrierte Emissionszustände desselben Objekts. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, daß die Meßzeit wesentlich verkürzt werden kann.

Um die Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen, wird mit einer neuen Kalibrierkurve gearbeitet, die aus den am Schwarzen Strahler gemessenen kanalspezifischen Kalibrierkurven und den Exponenten c_k unter Vr "Wendung des Zusammenhangs gemäß Gl. (4) in einfacherWeise gewonnen wird. Sie entspricht der Abhängigkeit der Konstante c von der Objekttemperatur. Gerätetechnisch ist den Schaltungsteilen zur Messung der Signalspannungen U_k eine Schaltung zur Ausführung von Gleichung (3) nachgeschaltet, so daß für die Temperaturmessung sofort dieses Produkt gemessen und aus der nouen Kalibrierkurve die zugehörige Temperatur abgelesen werden kann. In Kenntnis dieser Temperatur können wie üblich aus den Signalspannungen U_k nach

die bei der Messung herrschenden Bandemissionsgrade des Meßobjektes, d. h. dessen Emissionszustand, ermittelt werden.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: die hersiellungsseitigen Kalibrierkurven, Fig.2: die neue, objektspezifische Kalibrierkurve.

Zur Messung wird eine mehrkanalpyrometrische Einrichtung mit 3 spektralen Kanälen verwendet, deren Temperturkennlinien vom Hersteller am Schwarzen Strahler wie üblich kalibriert werden (s. Fig. 1).

Das Objekt kann verschiedene Emissionszustände aufweisen. Durch Kalibrierungsmessungen am Objekt bei einer bekannten Objekttemperatur wurden folgende Emissionszustände des Meßobjekts bestimmt:

Zustand ε, ε₂ ε₃

1	0,21	0,50	0,38
2	0,45	0,35	0,47
3	0,35	0,96	0,80
4	0,26	0,11	0,15

Nach Lösen des Gleichungssystems (4) ergaben sich folgende Exponenten C₁:

c, = 1,000

C₂ = 1,147

c_k = -1,659

sowie die Konstante c₀ = 0,477.

Unter Verwendung dieser Exponenten und der Schwarzstrahlerkennlinien gemäß Fig. 1 wird die Temperaturkennlinie der Konstanten c objektspezifisch kalibriert (s. Fig. 2). Das Gerät war durch eine Rechenschaltung so ergänzt, daß zur Temperaturmessung sofort c gemessen wurde. Bei einer Messung war c = 0,795, d. h., das Objekt hatte nach der neuen Kalibrierkurve eine Temperatur von etwa 201⁰C.

Zum Nachweis der Genauigkeit wurden Messungen bei einer Objekttemperatur von 200⁰C in den einzelnen spektralen Kanälen durchgeführt. Es wurden folgende Signalspannungen U_k in mV gemessen:

Zustand U₁ U₂ U₃

1	2,53	9,06	9,34
2	5,43	6,34	11,55
3	4,22	17,39	19,65
4	3,14	1,99	3,68

Multipliziert man die mit den Exponenten q, potenzierten Signalspannungswerte Ut, so erhält man folgende Werte c für die einzelnen Emissionszustände und gemäß neuer Kalibrierkurve (Fig. 1) die Objekttemperaturen T₀:

Zustand c T₀

1	0,779	199,20C
2	0,799	201,30C
3	0,794	200,9 "C
4	0,779	199,3 0C

Im Vergleich der Zahlen ist die hohe Genauigkeit des Verfahrens zu erkennen. Außerdem kann aus dem zuvor gemessenen c = 0,795 geschlossen werden, daß in etwa der 3. Emissionszustand vorliegt. Der

genaue Emissionszustand müßte, wie bereits beschrieben aus den einzelnen Signalspannungen, die bei der o.g. Messung desc = 0,795 anlagen, nach (5) ermittelt werden.

Die Tabelle der Signalspannungen für die vier verschiedenen Emissionszustände zeigt im übrigen noch einmal deutlich, daß sich

die Signalspannungen in den einzelnen Kanälen beim Übergang von einem auf den anderen Emissionszustand starkunterschiedlich ändern.

Claims (2)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung von Temperatur und/oder Bandemissionsgraden von Meßobjekten mit veränderlichen Oberflächenemissionseigenschaften durch die Messung der Signalspannungen Uk mit einer in k = 1 bis η verschiedenen spektralen Bereichen empfindlichen mehrkanalpyrometrischen Anordnung, herstellungss'eitiger Kalibrierung der Abhängigkeit der Signalspannungen Uk von der Temperatur eines Schwarzen Strahlers und objektspezifischer Kalibrierung der die i = 1 bis m verschiedenen Emissionszustände des Meßobjekts charakterisierenden e_ik, gekennzeichnet dadurch, daß in Ergänzung der objektspezifischen Kalibrierung aus den objektspezifischen Emissionsgraden eikdie kanalspezifischen Exponenten, für die das Produkt der mit diesen Exponenten potenzierten Signalspannungen U_k bei einer Temperatur für alle Emissionszustände des Meßobjekts in etwa konstant gleich c ist, und die objektspezifische Kalibrierkurve der Konstante c in Abhängigkeit von der Objekttemperatur ermittelt werden und bei der Messung von Temperatur oder/und Bandemissionsgraden neben den Signalspannungen U_k das Produkt c der mit den kanalspezifischen Exponenten c_k potenzierten Signalspannungen Uk gemessen wird.

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