Viele
passive berührungslose
Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren und darauf aufbauende Geräte und Systeme
beruhen auf verschiedenen Annahmen über die Abhängigkeit des Emissionsgrades
von der Wellenlänge
und der Temperatur im aktuellen Spektral- und Temperaturmessbereich des Messobjekts.
In
der von Khan, Pat. USA No. 5,132,922 und Ronchi, Claudio;
EP 0420108 A1 beschriebenen
passiven Methoden werden gleichzeitig die Temperatur und der Emissionsgrad
anhand eines Gleichungssystems mit der Zielsetzung der Minimierung
der Differenz zwischen der tatsächlichen
und der durch eine Modelfunktion des Emissionsgrades beschriebenen
Strahlungen in mehreren Spektralbereichen im Rahmen der Kleinst-Quadrate-Schätzung errechnet.
Dabei stellt die Modelfunktion das jeweilige tatsächliche
unbekannte Spektralverhalten des Emissionsgrades dar und kann nur
approximativ und nicht für
sämtliche
Spektralbereiche bzw. Materiale angewandt werden. Auch die störenden Anteile
werden im Rahmen dieser Methode nicht miteinbezogen. Dabei setzt
das Patent nach Ronchi, Claudio;
EP 0420108 A1 zusätzlich die Wiensche Näherung voraus.
Die
passive Methode nach Buchholt, Karl-Heinz;
EP 0592361 A1 beruht auf
einer Emissionsgradbestimmung für
zwei Wellenlängen
im Rahmen einer Korrelationsanalyse, durch die der Funktionszusammenhang
zweier Emissionsgrade durch Parameter der Referenztemperaturmessungen
ermittelt wird. Die Korrelationsanalyse und die zusätzlichen
Referenztemperaturmessungen führen
zu Aufwändigkeit
des Verfahrens, wobei auch hier die auf das Objekt einfallende störende Strahlung
vernachlässigt
wird.
Das
vor kurzem entwickelte imagedetektorbasierte sog. Imaging Pyrometer
nach Seitz; Pat. USA No. 6,758,595, oder (Tatsuwaki et al.); U.S.
Pat. No. 4,413,324 erzielt mittels zweiwellenlängigen Technik oder ein nach
Ronchi, Claudio,
DE 2,067,248 multikanäliges nicht
imagebasiertes Pyrometer mittels verschiedener Näherungsgesetze nur eine relativ
materialunabhängige
Temperaturmessung, bei denen die Störungsstrahlanteile als gering
und vernachlässigbar
und die Emissionsgrade als nicht spektral dispergierte oder durch
eine theoretische wellenlängen-
und temperaturabhängige
Modelfunktion approximiert werden.
Das
andere auf den Imagedetektoren basierte sog. mehrwellenlängige Imaging
Pyrometer (WIP) nach Kaplinsky, et al. Pat.USA No. 5, 822, 222,
das in zwei unabhängigen
Moden – der
Kalibrierung und Temperaturmessung betreibbar ist, wird in verschiedenen
Ausführungen
des Pyrometers entsprechend unterschiedliche pyrometrische vordefinierte
Extrapolationen des wellenlängenabhängigen Emissionsgrades
für die
Temperaturmessung verwendet, was den Einsatz von diesem Pyrometer
in Bezug auf die materialunabhängige und
störungsfreie
Temperaturmessungen nur für
ein begrenztes Aufgabespektrum ermöglicht. Die Kalibrierung ist
auf eine Anwendung von mehreren Filtern angewiesen, wobei die speziellen
Filter spektral nur auf eine bestimmte in diesem Patent erwähnte Temperatur
von 700°C
angepasst werden können,
die in der Mitte eines wahrscheinlichen Temperaturmessbereichs liegen,
und deshalb eine präzise
hachoquantierte pyrometrische materialunabhängige und störungsfreie
Kalibrierung im breiten Temperaturmessbereich für dieses Imaging Pyrometer
einschränken.
Bei
der aktiven Bestimmung des Emissionsgrades werden sowohl direkte,
anhand einer Reflexivitätsmessung
durchzuführende,
als auch indirekte Methoden, bei denen durch die Lösung des
Gleichungssystems die Werte des Emissionsgrades, Temperatur, etc.
approximativ unter der Setzung unterschiedlicher Annahmen über das
Spektral- und Temperaturverhalten des Emissionsgrades und speziellen
Annäherungen
gewonnen werden, angewandt.
Die
zwei aktive direkte anhand des Laser Pyrometers realisierte Verfahren
nach Stein; Pat. USA No. 4,417,822, Brisk; Pat. USA No. 4,647,74,
die auf der direkten Bestimmung des Emissionsgrades und der daraus
zu errechnenden Temperatur basieren, sind nur auf enge Spektralbände und
diffuse Oberflächen
anwendbar. Dabei gehören
der aufwändige
Einsatz eines Hilfsstrahlers und die Vernachlässigung der Störstrahlung zu
den Nachteilen dieser Methode.
Die
aktive zweiwellenlängige
pyrometrische Methode nach Günter
Kostka, Ürgen
Reger, „VDI
Berichte 1379 Temperatur 98 Aktive zwei wellenlängige Pyrometrie" kann im Vergleich
zu dem vorherigen Verfahren als effektivere Methode angesehen wer
den, da der Reflexivitätsunterschied
bei verschiedenen Wellenlängen
berücksichtigt
wird. Dabei ist jedoch der Einsatz eines Hilfsstrahlers nicht umzugehen.
Außerdem
bedarf die Methode einer Kalibrierung des Verhältnisses der Reflexivität für zwei Wellenlängen, die
gleich wie nach Stein; Pat. USA No. 6,375,350 anhand eines hemisphärischen
goldenen Referenzspiegels durchzuführen ist, was mit einem weiteren
Aufwand verbunden ist. Dabei gehören
wiederum die Voraussetzung der Wienschen Näherung und die Vernachlässigung
der auf das Messobjekt einfallender Störstrahlung zu den Nachteilen
des Verfahrens.
Die
weitere Erfindung nach Iuchi; Pat. USA No. 4,172,383 ermöglicht beim
Einsatz von zwei Hilfsstrahlern änderbarer
Intensität
die Bestimmung der Temperatur sogar bei der Unbeständigkeit
des Emissionsgrades im Laufe der Messungen, wobei sie auf ein spezielles
Spektralverhalten des Emissionsgrades angewiesen ist, welches beim
Variieren von zwei Wellenlängen
ausgesucht werden sollte. Zusätzlich
müssen
die Hilfsstrahler zur Oberfläche
hin orientiert werden, um eine spiegelartige Reflexion zu erzielen.
Die Störstrahlung
wird dabei nicht berücksichtigt.
Bei
vielen Arten aktiver Methoden, die auf einer Lösung des Gleichungssystems
basieren und mindestens von zwei Wellenlängen ausgehen, beruht die Bestimmung
des unbekannten Emissionsgrades, der Temperatur, der Umgebungstemperatur
auf der Analyse eigener Strahlung des Objekts, reflektierter von
diesem Objekt Strahlung des Hilfsstrahlers und aus dieser eigenen
und reflektierter Strahlung zusammengesetzter Gesamtstrahlung, wobei
der aufwändige
Einsatz eines/mehrerer Hilfsstrahler einen gewichtigen Beitrag zu den
Nachteilen der unten beschriebenen aktiven Methoden darstellt.
Die
aktive Methode und darauf ausbauendes Pyrometer nach Stein; Pat.
USA No. 4,708, 493 beruht auf den Verhältnismessungen der Intensitäten der
eigenen Strahlung des Messobjekts und der von diesem Messobjekt
reflektierten Strahlung der Laserdiode für zwei Wellenlängen mit
der aus der Lösung
des Gleichungssystems ergebender Bestimmung der Tem peratur. Die
Methode lässt
sich aber nur unter der Annahme des unselektiven Streufaktors der
reflektierten Strahlung verwirklichen. Die entstehenden Störstrahlungsanteile
werden damit weder eliminiert noch bestimmt.
Die
aktive Methode nach Tank; Pat. USA No. 4,924,478 für die gleichzeitige
Bestimmung der Temperatur, des Emissionsgrades, der Umgebungstemperatur,
die mit Hilfe von der auf drei Wellenlängen basierten Lösung des
Gleichungssystems und einem Hilfsstrahler umgesetzt wird, setzt
den unselektiven Charakter des Emissionsgrades voraus, was dieses
Verfahren nur für
einen eingeschränkten
Aufgabenbereich anwendbar macht. Die in den meisten Fällen nicht
hemisphärische
vorliegende Winkelverteilung der reflektierten Strahlung wird hier
nicht berücksichtigt,
so dass Verfahren nur bei diffusen Oberflächen angewandt werden kann.
Bei
weiteren aktiven oder passiven Tempearaturmess- und Kalibrierungsverfahren,
die auf direkten oder durch die Lösung des Gleichungssystems
ergebenden Messungen basieren, wird die auftretende Tempearturänderung
des Messobjekts als Grundlage für
die Realisierung einer materialunabhängigen und störungsfreien
Temperaturmessung oder pyrometrischen Kalibrierung eingesetzt.
Die
aktive Temperaturmessverfahren nach Oehry Bernhard; CH-PS 5522,
Pat.USA No. PS3608439, Glenn; Pat.USA No. 4,818,102, Schietinger
Pat. USA No. 5,154,512, TEMPMEKO, 96 setzen den Hilfsstrahler (Laser)
für die
Temperaturänderung
des Messobjekts ein, so dass die störenden Einflüsse durch
aktive periodische Temperaturänderungen
des Messobjekts minimiert werden. Aus Gründen der Temperaturabhängigkeit des
Emissionsgrades und der Reflexivität der Störstrahlung ist die absolute
Eliminierung von störenden
Einflüssen
hier nicht möglich.
Eine direkte Temperaturbestimmung in diesen Verfahren ist mittels
konventioneller Quotientenpyrometrie realisiert, wobei aber die
Problematik der materialunabhängigen
Messung nicht gänzlich behoben
wird und die Messgenauigkeit durch die temperaturabhängige Emissionsgrade
an beiden Wellenlängen
sogar beeinträchtigt
wird. Außerdem
trägt bei
der aktiven Temperaturänderung
auch die temperaturabhängige
Verstreuung der vom Messobjekt reflektierten störenden Strahlung zu einem unabsehbaren
Messfehler bei.
In
der aktiven bei Ng; Pat. USA No. 5,690,429 beschriebenen Methode,
die ein Kalibrierungsverfahren darstellt und die auf dem Strahlungsverhältnis bei
zwei unterschiedlichen Temperaturen des Messobjekts basiert, wird
die Endtemperatur nach vorgenommenen Temperaturänderung der ursprünglichen
Temperatur durch grafische Analyse nur im kurzwellenlängigen Bereich
und für
zwei sehr schmale Spektralbände
bestimmt, wobei die Störstrah lungsungsanteilen
als vernachlässigbare
angenommenen sind. Diese Annahmen begrenzen die Anwendung des Verfahrens.
Mehr noch, jede Temperaturänderung
der Messoberfläche
bringt eine Mitänderung
aller die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigender
Werte, wie die des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades
der Durchgangsstrecke und der Reflexionsgrade der störenden Strahlungen
mit sich.
Zusätzlich tragen
auch die temperaturabhängigen
Streufaktore der störenden
Strahlungen zu dem Messfehler bei. Deshalb machen die in diesem
entwickelten Kalibrierungsverfahren vorgegebene Annahmen über die
vernachlässigbare
Störstrahlung
und die Temperaturunabhängigkeit
des Emissionsgrades die Anwendung der angebotenen Methode nicht
in allen Messfällen
und nicht auf absolut alle Messobjekte möglich.
In
den Methoden nach Tank; Pat.USA No. 4,974,182, Koltunov, PCT/IL98/00568;
Pat.USA No. 6,837,617 werden für
die materialunabhängige
Temperaturmessungen die sowohl aktiv vorgenommene als auch von alleine
auftretende tatsächliche
Temperaturänderungen
des Messobjekts angewandt. Die materialunabhängige Temperaturbestimmung
nach Tank; Pat.USA No. 4,974,182 wird durch eine Lösung des
Gleichiungssystems realisiert, für
deren Lösung
eine aufwändige
und nicht immer umsetzbare aktive Temperaturänderung des Messobjekts vorgenommen
werden muss. Um den während
der Temperaturänderung
variierenden Emissionsgrad nicht berücksichtigen zu müssen, werden
die Messungen in dem im voraus bekannten Temperaturbereich durchgeführt, in
dem der Emissionsgrad temperaturunabhängig ist. Da die Annahme nur
für bekannte
Materiale akzeptabel ist und die temperaturabhängigen Bereiche des Emissionsgrades
für viele
Materiale sehr begrenzt sind, ist das Verfahren nur relativ materialunabhängig. Abhängig vom
unbekannten Temperaturkoeffizient des Emissionsgrades und dem aktuellen
Temperatur- und Spektralbereich des unbekannten Materials sind die
auftretenden Fehler nicht absehbar.
Sonstige
temperaturabhängige
Werte, solche wie Transmissionsgrad der Durchgangsstrecke, der Reflexionsgrad
der Störstrahlung
werden hinsichtlich ihrer Einflüsse
auf die Messgenauigkeit des Verfahrens nicht näher analysiert. Die vorgeschlagene
Methode kann durch Lösung
des Gleichungssystems in diesem Fall nur in mehreren engen Spektralbänden verwirklicht
werden. Im einzigen breiten Band mit vielen aktiv vorzunehmenden
Temperaturänderungen
wäre sie
aus dem oben genannten Grund nur für eine begrenzte Temperaturspanne
akzeptabel. Außerdem
ist die Strahlungsmessung des Messobjekts simultan in verschiedenen Spektralbereichen
nicht gegeben, was die Messgenauigkeit dieses pyrometrischen Messsystems
wesentlich beeinträchtigen
kann.
Anhand
vieler experimenteller Messungen wurde von D.Ya.Svet, High Temperature High
Pressures 11, 117-118, 1979 festgestellt, dass sich der Emissionsgrad
in hohem Temperaturbereich als eine lineare Funktion der Temperatur
approximieren lässt.
Das ermöglicht
bei eingesetzter Erwärmung
oder Abkühlung
des Messobjekts zwar eine materialunabhängige Temperaturmessung (D.Ya.Svet,
TEMPERATURE: Its Measurement and Control in Science and Industry
Volume VII; Eighth Temperature Symposium Chicago, Illinois (USA)) jedoch
nur für
eine begrenzte Materialauswahl und nur für hochgradige Aufgabenstellungen
Auch werden stets vorhandene störende
Strahlungsanteile in die Analyse nicht miteinbezogen.
In
der Lösung
nach Koltunov, PCT/IL98/00568; Pat.USA No. 6,837,617 wird die materialunabhängige Temperaturmessung
auch durch ein Gleichungssystem realisiert, wobei die für dessen
Aufstellung und Lösung mehrere
unterschiedliche Temperaturen des Messobjekts in mehreren Spektralbänden erfasst
werden. Die während
der Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen
Messorten erfasste Temperaturen des gleichen Objekts können sich
ganz gering voneinander unterscheiden, was zu redundanzreichen Zuständen im
Gleichungssystem führen
und dadurch die niedrige Genauigkeit solchen Messsystems verursachen
kann. Die Temperaturabhängigkeit
des Emissionsgrades wird anhand einer als bekannt angenommenen parameterbasierten
Modelfunktion gezeigt, was das Verfahren ohne a priori Kenntnisse über das
Spektral- und Temperaturverhalten des Emissionsgrades nicht für alle Fälle akzeptabel
und nicht auf alle Materiale anwendbar macht. Sonstige temperaturabhängige Werte,
solche wie das Transmissionsgrad der Übertragungsstrecke, der Reflexionsgrad
der Störungsstrahlung,
werden in diesem vorgeschlagenen Verfahren hinsichtlich ihrer Eliminierung
oder der gleichzeitigen Auflösung
im bestehenden Gleichungssystem in die analytische Betrachtung des
Problems und die Aufgabestellung gar nicht einbezogen.
Ein
bekanntes in Pat. USA No. 5,762,419; 6,056,433; 6,086,245; 6,345,909
von Yam beschriebenes Kalibrierungsverfahren ist für die Simulation
einer bestimmten Temperatur des schwarzen Strahlers geeignet. Dafür wird vor
dem nicht schwarzen Strahler (LED-Lichtstrahler) ein Filter für pyrometrische
Kalibrierungszwecke platziert, der das resultierende Spektrum auf
das Strahlungsspektrum des Schwarzstrahlers einer bekannten Temperatur
bringt. Durch den eingesetzten LED-Strahler wird aufgrund seines
engen Abstrahlungsspektrums die Kalibrierung nur in einem relativ
engen und eingeschränkten
Temperaturbereich gewährleistet.
Verschiedene simulierte Temperaturen können durch unterschiedliche
Platzierung des LEDs im Gehäuse
des Kalibrierungsgerätes
erzielt werden, was aber eine präzise
Positionierung des Kalibrierungsfilters an dem Strahler erfordert.
Die Temperaturspanne der simulierten Temperaturen ist damit auf
die vorliegende Grösse
des angefertigten Gehäuses
begrenzt. Für die
hochquantierte Kalibrierung des Pyrometers in einem breiten Temperaturbereich
müssen,
alternativ zur variablen Filterpositionierung, mehrere austauschbare
und verschieden spektral dispergierte Filter zum Nachteil des Verfahrens
nach dem LED platziert werden, wobei Spektrum jedes Kalibrierungsfilters
an das Spektrum des LEDs angepasst ist, d.h. jedes spezielle Spektralverhalten
des Kalibrierungsfilters für
jede simulierte Temperatur muss sich im Rahmen dieses Verfahrens
nach dem Spektralverhalten des LEDs richten. Das auf diesem Verfahren
aufgebaute Kalibrierungsgerät
ist guter Ersatz des Kalibrierungsschwarzstrahlers. Die Problematik
der emissionsgradunabhängigen
pyrometrischen Temperaturmessung und Selbstkalibrierung bleibt im
Rahmen dieses Verfahren weiter aktuell.
Aufgabenstellung
Einige
berührungslose
Temperaturmessverfahren beruhen auf den tatsächlichen Temperaturänderungen
des Messobjekts. Diese Temperaturänderungen werden für die Eliminierung
der Störstrahlung
oder gleichzeitige Bestimmung der Temperatur, des Emissionsgrades
und der Umgebungstemperatur basierend auf der Lösung eines ursprünglich unterbestimmten
Gleichungssystems benutzt.
Jede
tatsächliche,
sowohl aktiv vorgenommene als auch von alleine auftretende Temperaturänderung des
Messobjekts zieht aber eine Mitänderung
aller die Genauigkeit der Tempeperaturmessung beeinträchtigender
Werte, wie des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades
der Durchgangsstrecke und Reflexionsgrades der störenden Strahlung
nach sieh. Deshalb können
alle bisherigen darauf basierenden Methoden nur annährend als
materialunabhängige
und störungsfreie
bezeichnet werden.
Andererseits
müssen
solche Methoden in der Lage sein diese Temperaturänderungen
als solche genau bestimmen zu können,
was wiederum durch den unbekannten Emissionsgrad und die Störungsanteile
berührungslos
nicht möglich
ist.
Deshalb
können
vorliegende Temperaturänderungen
durch berührungslose
Messungen nicht präzise, sondern
nur annäherungsweise
erfasst werden.
Die
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein darauf
ausbauendes Imaging Pyrometer zu entwickeln, das
- a)
die gleichzeitige Messungen der Temperatur und des Emissionsgrades
des inhomogenes Messobjekts, der Temperaturen und der Streufaktore
der von diesem Messobjekt reflektierten temperaturinhomogenen Störstrahlungen
ermöglicht,
- b) die Temperaturmessungen materialunabhängig und störungsfrei durchzuführen erlaubt,
- c) die analytische Grundlage der gleichzeitigen Messungen aller
in a) erwähnten
Grössen
annahmefrei bezüglich
der Temperaturunabhängigkeit
des Emissionsgrades des inhomogenes Messobjekts, des Transmissionsgrades
der Durchgangsstrecke und der Streufaktore sämtlicher von diesem inhomogenen
Messobjekt reflektierter temperaturinhomogener Störstrahlungen
zu gestalten erlaubt,
- d) die Durchführung
der gleichzeitigen Messungen aller in a) erwähnten Grössen passiv, d.h. ohne aktive Einwirkung
auf das Messobjekt, sondern durch simulierte aktive Temperturänderungen
des Messobjekts,
- e) die Messungen der simulierten aktiven Temperaturänderungen
nach d) durch bestimmte bekannte messbare Werte ermöglicht,
- f) die gleichzeitige Messungen aller in a) erwähnten Grössen des
inhomogenes Messobjekts nach a) ortsaufgelöst und bildgebend gestaltet,
- g) die Messungen nach a) sowohl in schmalem(n) als auch in breitem(n)
Band(-en) der eigenen und vom Messobjekt reflektierten Störstrahlungen
zulässt
und
- h) die klassische pyrometrische Kalibrierung simuliert,
- i) die zweidimensionale Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometrs
ermöglicht
und die im Rahmen des gleichen Konzepts und mit gleichen Mitteln
nach d)-g) realisiert.
Der
Aufgabenteil a) wird im ersten Schritt analytisch im Rahmen eines
Gleichungssystems gelöst,
für dessen
Aufstellung und Behebung der Unterbestimmung und weitere Lösung simultan
mehrere simulierte aktive Änderungen
der aktuellen Temperatur des Messobjekts und sämtlicher Temperaturen der vom
Messobjekt reflektierten Störstrahlungen
vorgenommen werden.
Unter
Anwendung einer bestimmten Lösung
des Gleichungssystems werden die Aufgabenteile a)-c) gleichzeitig
erfüllt.
Um die Lösung
des Gleichungssystems annahmefrei bezüglich der Temperaturunabhängigkeit
des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades der
Durchgangsstrecke, der Streufaktore der temperaturinhomogenen Störstrahlungen
gestalten und dadurch die Temperaturmessung materialunabhängig und
störungsfrei
(d.h. ohne direkten Angaben zum Emissionsgrad und sämtlichen
Störstrahlungen) messen
zu können,
wird ein Konzept ausgearbeitet, das aktive Änderungen aktueller Temperatur
des Messobjekts und aller aktueller Temperaturen der Störstrahlungen
ganz unabhängig
von der Temperatur und dem Emissionsgrad des Messobjekts und insbesondere
von allen temperaturinhomogenen Störstrahlungen simulieren würde.
Die
einzig mögliche
Lösung
dieser Aufgaben wird zuerst für
den Fall eigener störungsfreien
Strahlung des homogenen Messobjekts und nachfolgend erweitert für den allgemeinen
Fall ei nes inhomogenen Messobjekts und der von diesem Messobjekt
sämtlichen
temperaturinhomogenen Störstrahlungen,
an die Planksche Formel angepasst, jedoch nicht direkt über die
aktuelle Temperatur To des Messobjekts, sondern über ihr Kehrwert 1/To erzielt.
Dafür wird zwischen
dem Messobjekt und dem Imaging Pyrometer eine spezielle optische
spezifisch spektral dispergierte absorbierende Übertragungsstrecke eingebaut,
so dass die ursprüngliche
Strahlung des Temperaturkehrwertes 1/To nach dem Durchgang dieses
Durchlassfilters einer bestimmten Dicke so geschwächt wird,
dass sie dem Temperaturkehrwert 1/To-1/Ti(x) entspricht. Dabei wird der neue
Temperaturkehrwert ohne aktive Einwirkung auf das Messobjekt gemäss Aufgabenteil
d) erzielt.
Um
den ursprünglichen
Temperaturkehrwert des Messobjekts 1/To völlig temperatur- und materialunabhängig und
vor allem störungsfrei
um ein Wert 1/Ti(x) zu ändern,
sollte der spektral dispergierte Durchlassgrad F(λ, x) der
speziellen optischen absorbierenden Übertragungsstrecke analytisch
an die Planksche Formel (7, 8) angepasst folgendes Spektralverhaltens
aufweisen:
Diese
spezielle optische absorbierende Übertragungsstrecke kann in
Form eines planparallelen Durchlasfilters (im Weiteren für i = 1 „Single"- und für i > 1 „Multiexpofilter" und allgemein „Expofilter" genannt) gefertigt
werden. Als Variante kann die Übertragungsstrecke
auch in Form eines absorbierenden Faserfilters (im Weiteren für i = 1 „Single"- und für i > 1 „Multiexpofaserfilter" und allgemein „Expofaserfilter" genannt) gefertigt
werden.
Dabei
hängt jeder
simulierte änderbare
Kehrwert der Temperatur des Expofilters oder Expofaserfilters 1/Ti(x) von seiner variierenden Dicke x ab.
ai stellen konstante Werte dar.
Allgemein
ist bekannt, dass Durchlassgrad F
λ (x)
einer monochromatischen Durchgangsstrecke von der aktiven optischen
Dicke x durch folgende Formel beschrieben wird:
mit K – dem Absorbtionskoeffizient
und f(x) – der
Funktion der aktiven optischen Dicke x der Durchgangsstrecke. Für den Fall
der Lambert-Beerschen Gesetzes für
dünne Schichten
gilt dabei: f(x) = x.
Allgemein,
für den
Fall einer polychromatischen optischen absorbierenden Strecke ist
der Absorbtionskoeffizient spektral dispergiert, was durch den folgenden
Term gezeigt wird:
Aus
(1) und (3) folgt, dass das Produkt K(λ)·f
i(x)
für jeden
Index i durch folgenden Term beschrieben werden sollte:
wobei der Ausdruck (4) als
aus zwei Funktionen K(λ)
= C2/λ und
f
i(x) = 1/T
i(x)
bestehend interpretiert werden kann, C2 zweite Planksche Konstante
und f
i(x) die Funktion der Dicke des Expofilters
oder Expafaserfilters ist. Gemäss
(4) können
die Filtereigenschaften bei der Filterfertigung nach der gewünschten
Funktion f
i(x) ausgerichtet werden, wobei
K(λ) muss
aber immer die spektrale 1/λ – Dispersion
aufweisen. Für
den bereits gefertigten Filter muss sein bekanntes spektrales und
dickenabhängiges
Transmissionsverhalten F(λ,
x) entsprechend (1-4) durch konstante Werte a
i,,
C2 und die dickenabhängige
Funkton f
i(x) appproximiert werden, wobei die
Funktion f
i(x) hier und im Weiteren allgemein
vom Lambert-Beerschen Gesetz abweichen kann und deshalb bei unterschiedlichen
Filterdicken für
den vorgegebenen Spektralband empirisch ermittelt werden sollte.
Nach
dem Durchgang dieser optischen absorbierenden Strecke wird die spektrale
Intensität
der geschwächten
Strahlung Φ(λ, x) zu:
wobei
x die Dicke des Expofilters ist. Da der Wert von f(x) nach (4) als
ein dickenabhängiger
Temperaturkehrwert 1/T
i(x) definiert ist,
so folgt daraus, dass die geschwächte,
durch solche spektral dispergierte Strecke durchgegangene Strahlungsleistung
sich über
diesen beschriebenen Wert von f
i(x) direkt
durch Multiplizierung mit Φo(λ, To) nach
(5) in die Planksche Formel integrieren lässt. Die resultierende Intergralstrahlung
im ganzen Spektralband wird zu:
wobei
die ursprüngliche
temperaturhomogene eigene Strahlung Φo(λ1, λ2, To) der Temperatur To
erstmal
auf Wiensche Distribution und klare atmosphärische Durchgangstrecke (τ = 1) unter
Abwesenheit von Störstrahlung
begrenzt wird:
mit C1,
C2 – erster
bzw. zweiter Plankschen Konstanten.
Dabei
besitzt die ursprüngliche
Strahlung in (8) dem ursprünglichen
Temperaturkehrwert 1/To und die geschwächte Strahlung in (6) den neuen
Wert – [1/To
+ 1/Ti(x)].
Das
Ergebnis in (6) lässt
sich ausführlich
durch folgende mathematische Umformungen untermauern. Ersetzt man
die Variable λ in
(8) durch undimensionale Variable z = c2/(λ·To), bekommt man für die Strahlung im
(λ1-λ2) – Band und
i = 1:
mit z1
= c2/(λ1·T) und
z2 = c2/(λ2·T), wobei Λ(z1) = Λ(c2/(λ1·T)), Λ(z2) = Λ(c2/(λ2·T) und Λ eine eindimensionale
und hier nicht detailliert bestimmte Funktion von x ist. Deshalb
folgt es für
jeden geänderten
Temperaturkehrwert [1/To + 1/T
i(x)], dass
z1 = (c2/(λ1))·[1/To
+ 1/T
i(x)], z2 = (c2/(λ2)·[1/To + 1/T
i(x)]
und dadurch Λ(z1)
= Λ((c2/λ1)·[1/To
+ 1/T
i(x)]) und Λ(z2) = Λ((c2/λ2)·[1/To + 1/T
i(x)])
gilt.
Damit
ist erwiesen, dass der neue Temperaturkehrwert [1/To + 1/Ti(x)] der geschwächten Strahlung in (b), geltend
für jede
monochromatische Komponente λ auch
im breiten Band der geschwächten
Strahlung (9) laut dem Bolzmanschen Gesetz ~ σT4 gilt.
Im
Weiteren wird das erhaltene Ergebnis in (b) für den Fall der mit (9) beschriebenen
Wienschen Distribution auf den Fall der mit (7) beschriebenen allgemeinen
Distribution erweitert. Das wird möglich, da die Planksche Formel
sich für
jede spektrale Komponente in der Exponentenreihe zerlegen lässt,
und sich
mit (1) multiplizieren lässt:
Dadurch
ergibt sich erweitert auf den allgemeinen Fall eigener temperaturinhomogener
Strahlung des Messobjekts und für
den Multiexpofilter in der komprimierten Form:
wobei
die eigene ursprüngliche
temperaturinhomogene Strahlung Φo(λ1, λ2, To
1 ... To
R) der verschiedenen Temperaturen
To
1 ... To
R für Planksche
Distribution in komprimierter Form durch folgenden Term beschrieben wird:
wobei
mit oberen Grenzenwerten k die Genauigkeit der Plankschen Reihenzerlegung
und R die Anzahl der Temperaturkomponenten der eigenen Messobjektstrahlung
festgelegt wird.
Aus
(13) kann eindeutig geschlossen werden, dass die resultierenden
Temperaturkehrwerte 1/T
m,i,p(x) der geschwächten eigenen
temperaturinhomogenen Strahlung für jede Komponente der Reihe
(für jeden
m, i und p) durch die Temperaturkehrwerte 1/To
p der
ursprünglichen
eigenen temperaturinhomogenen Strahlung des Messobjekts und die
temperatur- und wellenlängenunabhängige dazu
zu addierende simulierte Temperaturkehrwerte 1/dT
i(x)
der speziellen Übertragungsstrecke
für den
Fall der Plankschen Distribution ausgerechnet werden:
Die
Wirkung der zwischen dem Messobjekt und dem pyrometrischen Detektor
eingebauter spezieller optischer Übertragungsstrecke analytisch
als Produkt seines Transmissionsgrades F(λ, x) und der ursprünglichen
eigenen Strahlung Φo(λ1, λ2, To1 ... ToR) der Temperaturkehrwerte
1/To1 ... 1/ToR beschrieben,
hat die geschwächte
eigene Strahlung der neuen Temperaturkehrwerte 1/Tm,i,p(x)
zur Folge. Die Ergebnisse in (12-15) sind auf die in (7 oder 8)
beschriebener temperaturinhomogener eigener Strahlung auch auf den
Fall der temperaturinhomogenen störenden Strahlung erweiterbar.
Daraus
folgt, dass der resultierende Störstrahlungsanteil
der Gesamtstrahlung des Messobjekts mit bekannter Anzahl M von unterschiedlichen
Störstrahlungstemperaturen
Ts
r sich in der komprimierten Form analog
zu Formel (13) beschreiben lasst:
wobei
die ursprüngliche
störende
Strahlung Φos(λ1, λ2, 1/Ts
1, ... 1/Ts
M ) sich
aus den Störstrahlungen
verschiedener Temperaturkehrwerte 1/Ts
1,
... 1/Ts
M additiv zusammensetzt und für die Planksche
Distribution in komprimierter Form durch folgenden Term beschrieben
wird:
Die
Sr(λ) sind
die Spektralkomponenten des Streufaktors der störenden Strahlungen und der
Glied (1-ε)
zeigt gemäß des Kirchhoffschen
Gesetzes den Reflexionsgrad der auf das Messobjekt einfallender
diffuser reflektierter Störstrahlung.
Dabei wird der Streufaktor S nach Stein; Pat. USA No. 4,708,493,
Tank; Pat. USA No. 4,974,182 durch folgendes Verhältnis beschrieben:
wo Φo(ϕ) sich auf den
Beobachtungswinkel des Empfängers ϕ und Φo(π) auf den
ganzen Winkel π,
der der resultierenden in die Halbkugel ausstrahlenden Gesamtstrahlung
entspricht, beziehen. Damit beschreibt Sr(λ) nach (18) den „Homospherichkeitsgrad" jeder verstreuten
nicht diffus reflektierten spektralen Strahlungskomponente. Für die vollkommen
diffuse Reflexion nach dem Lambert-Beerschen Gesetz gilt für jeden
bezogenen Winkel: S = 1.
Die
Endformel der aus (13) und (16) summierten und nach dem Durchgang
der speziellen Übertragungsstrecke
geschwächten
Gesamtstrahlung des Messobjekts sieht folgendermaßen aus:
wobei
sich die ursprüngliche
Gesamtstrahlung Φgo(λ1, λ2, x, To
1 ... To
R) aus (14)
und (17) zusammensetzt:
bei der
jeder Kehrwert der Temperaturkomponente 1/TS
r der
temperaturinhomogenen Störstrahlungen
immer materialunabhängig
und störungsfrei
auf einen gleichen Wert 1/T
i(x), so wie
bisher in (15) für
eigene Strahlung gezeigt, geändert
wird, so dass jeder daraus resultierende Kehrwert jeder Temperaturkomponente
Ts
r mit folgender Formel beschrieben wird:
Aus
(15) und (21) ergibt sich, dass simulierte mittels des Expofilters
zustande kommende aktive Änderungen
sowohl für
eigene (15) als auch für
sämtliche
störende
Strahlungen (18) immer den Wert 1/Ti(x)
annehmen und sich simultan ergeben.
Damit
ermöglicht
das geschilderte Verfahren gemäss
Aufgaben a),c) die gleichzeitige Bestimmung der Temperatur und des
Emissionsgrades des Messobjekts, der Tempeaturen und der Streufaktore
der von diesem Messobjekt reflektierten störenden Strahlungen und dadurch
die gemäss
Aufgabe b) materialunabhängige
und störungsfreie
Temperaturmessung im Rahmen eines Gleichungssystems, dessen Aufstellung
und Lösung
auf materialunabhängigen
und störungsfreien
und gemäss
Aufgabe d) simulierten aktiven Änderungen des
Temperaturkehrwertes der in (15) selbstemmitierten und in (21) störenden Strahlung
des Messobjekts basiert, die praktisch anhand in (1, 4) beschriebenen
physikalischer Mitteln (Expofiltern) durchgeführt werden.
Die
unterschiedliche Temperaturkehrwerte werden, wie bereits erwähnt, durch
die Variation der messbaren und/oder bekannten Dicke des Expofilters
realisiert.
Dabei
wird das aktuelle Problem e) der berührungslosen Messung solcher
Temperaturänderungen
mit einem nicht direkt messbaren und somit als bekannt vorausgesetztem
Emissionsgrad des Messobjekts durch Messungen des direkt messbaren
und/oder bekannten Transmis sionsgrades einer vor dem Messobjekt
platzierten speziellen optischen Übertragungsstrecke beseitigt.
Da
die Lösung
des Gleichungssystems immer mehrere simulierte aktive Änderungen
des aktuellen Temperaturkehrwertes des Messobjekts und/oder der
aktuellen Temperaturkehrwerte der vom Messobjekt reflektierten Störstrahlungen
voraussetzt, besteht die Aufgabe in ihrer ersten Phase in der konstruktiven
Ausarbeitung eines auf variabler Dicke des Expofilters basierenden
Pyrometers.
Daraus
resultiert die klassische Überlegung
einen vor dem Detektor des Pyrometers angebrachten verstellbaren
(verschieb- oder drehbaren) Durchlassfilter (Keile) variabler Dicke
für die
Erzeugung der unterschiedlich geschwächten Strahlungen, die den
unterschiedlichen Änderungen
des ursprünglichen
Temperaturkehwertes 1/To entsprechen, zu benutzen.
Da
die an der verschiedenen Messstellen des Messobjekts vorliegende
aktuelle Temperaturen und Emissionsgrade des Messobjekt überwiegend
inhomogen sind, sollen alle Überlegungen
in (1-21) für
pyrometrische Messungen eines homogenes Messobjekts auf den allgemeinen
Fall eines inhomogenen Messobjekts erweitert werden und die für die Lösung des
Gleichungssystems notwendige mehrere aktive Änderungen des aktuellen Temperaturkehrwertes
des inhomogenen Messobjekts und der Temperaturen der vom inhomogenen Messobjekt
reflektierten teperaturinhomogenen Störstrahlungen ortsabhängig simuliert
werden, was durch den Einsatz einer speziellen oberflächenverteilten Übertragungstrecke
erreicht wird. Somit dient die aus einzelnen Übertragungsstrecken unterschiedlicher
Dicke zusammengesetzte oberflächenverteilte Übertragungstrecke
als konstruktiver Ersatz der einzigen speziellen monoliten Übertragungsstrecke
variabler Dicke, die den Ausgangspunkt der Überlegungen in (1-4) darstellte.
Diese
spezielle zwischen dem Messobjekt und dem pyrometrischen Detektor
eingesetzte Übertragungsstrecke
nach (1-4) wird in Form einer, aus gleich spezifisch spektral dispergierten
Expofiltern variabler Dicke bestehenden 2D-Durchlassfiltermaske
(im Weiteren kurz Expofiltermaske genannt) angefertigt, was damit
die Aufgabe f) erfüllt.
Damit
die zu messende Gesamtstrahlung vom Messobjekt sowohl in schmalem(n)
als auch in breitem Band empfangen werden kann, wird sie mit verschiedenen
Interferenzfiltern gefiltert, was damit die Aufgabe g) erfüllt.
Die
2D-Interferenzfiltermaske (im Weiteren kurz Interferenzfiltermaske
genannt) setzt sich aus diesen unterschiedlichen Interferenzfiltern
zusammen.
Die
mit der Interferenzfiltermaske gefilterte und danach mit der Expofiltermaske
geschwächte
und spektral dispergierte Strahlung wird schliesslich mit einem
2D-Multidetektor empfangen.
Der
2D-Multidetektor (im Weiteren Imagedetektor genannt) besteht aus
einzelnen identischen Detektoren.
Somit
wird ein Gleichungssystem mit ortspezifischen Unbekannten aufgestellt,
für dessen
Auflösung auf
der technischen Ebene die zweidimensionale imagebasierte Interferenz-
und Expoiltermaske und Imagedetektor als Grundlage für ein imagebasiertes
Temperaturerfassungssystem für
die Erfüllung
der Aufgabe f) eingesetzt werden.
Zur
analytischen Verdeutlichung des Verfahrens im Anlehnen an die Anwendung
der oben erwähnten Interferenz-
und Expofilter werden mehrere zu lösende Gleichungssysteme mit
steigendem Schwierigkeitsgrad aufgestellt.
Vorher
sollte darauf hingewiesen werden, dass die in der vorgestellten
Erfindung angenommenen Begriffe des Emissiongrades und des Streufaktors
nicht getrennt von der Transmission der atmosphärischen Durchgangsstrecke,
sondern immer im Zusammenhang betrachtet werden, d.h. anstatt der
formellen theoretischen Begriffe des Emissiongrades ε und Streufaktors
S, werden stets, so wie praktisch bei allen bisherigen konventionellen
Lösungen,
ihre effektive Werte ε·τ und S·τ verstanden,
solange die unabhängige
Bestimmung des Transmissionsgrades nicht möglich und τ weit vom Wert 1 entfernt oder
unbekannt ist. Sonst wird auf die herkömmlichen Begriffe ε·τ = ε und S·τ = S übergegangen.
Die
Unbekannten sind immer ortsspezifisch aufzulösen, d.h. die ganze Messoberfläche wird
auf J gleichen Messstellen aufgeteilt und jede gesuchte Unbekannte
immer an der bestimmten Messstele j der Messoberfläche gebunden
und mit dem laufendem Inex j identifiziert.
Zuerst
wird die Aufgabenstellung in ihrer einfachsten Form eines schmalen
Spektralbandes λ
1-λ
2 unter der Annahmen: a) des über dem
ganzen Messobjekt vorliegenden inhomogenen effektiven Emissionsgrades εj und der
inhomogenen Temperatur Toj b) der Abwesenheit der Störsrahlung:
wobei
f(1/Tj), f(1/Tj + 1/T
1(x)) die Strahlungen
des schwarzen Körpers
sind und Φo(λ1, λ2, 1/Toj), Φor(λ1, λ2, 1/Toj)
die an der Messstelle j ursprüngliche
bzw. die temperaturreduzierte Gesamtstrahlung und εj den durchschnittlichen
Wert des Emissionsgrades vom (λ
1-λ
2)-Band mit der unteren λ
1 und
oberen λ
2 Bandgrenzen darstellt.
Daraufhin
lässt sich
die Temperatur als folgender Quotient bestimmen:
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
bzw. gilt für i > 1 (Multiexpofiltermaske):
Für die Bildung
des Gleichungssystems müssen
2 beliebige Expofilter der Expofiltermaske verwendet werden. Die
ganze Messfläche
der Expofiltermaske ist damit auf K/2 Messstellen aufgeteilt, wobei
K hier und weiter die Gesamtzahl der Expofilter ganzer Expofiltermaske
repräsentiert.
Die Werte εj
und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden
Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu
anderer der K/2 Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen
angenommenen Messobjekt entspricht.
Für eine temperaturhomogene
Umgebung mit einer einzigen Störstrahlungsquelle
und somit einem Streufaktor muss das Gleichungssystem aus 4 Gleichungen
bestehen.
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
für i > 1 (Multiexpofiltermaske)
gilt dann:
wobei
(hier und im Weiteren) 1/T
1(x
1,),
1/T
2(x
2,), 1/T
3(x
3,) den unterschiedlichen
Dicken – x
1, x
2, x
3 des
an dem Detektor angebrachten Expofilters entsprechen, εj der Emissionsgrad,
Sj den Streufaktor, f(1/Tj), fu(1/Tj + 1/T
1(x
1)) die eigenen und fu(1/Tu), fu(1/Tu + 1/T
1(x
1)) die reflektierten
Strahlungsintensitäten
des schwarzen Körpers
an der Messstelle j und a
i die Konstante
nach (1) beschreiben.
Für die Bildung
des Gleichungssystems müssen
4 beliebige Expofilter der Expofiltermaske verwendet werden. Die
ganze Messfläche
der Expofiltermaske ist damit auf K/4 Messstellen aufgeteilt. Die
Werte εj,
Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden
Expofalter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu
anderer der K/4 Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen
angenommenen Messobjekt entspricht.
In
dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein schmalbandiges Imaging
Teilstrahlungspyrometer auf.
Für eine temperaturinhomogene
Umgebung mit der bekannter Anzahl der Störstrahlungstemperaturaturen
M muss das Gleichungssystem aus M + 3 Gleichungen bestehen.
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
bzw. gilt
für i > 1 (Multiexpofiltermaske):
wobei
unter 1/T
1,2,3... an dieser Stelle und im
Weiteren stets -1/T
1,2,3...(x
1,2,3)
verstanden wird.
Die
ganze Messfläche
der Expofiltermaske ist damit auf K/(M + 3) Messstellen aufgeteilt.
Die Werte εj, Sj
und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden
Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu
anderer der K/(M + 3) Messstellen unterscheiden können, was
dem bisher als inhomogen angenommenen Messobjekt entspricht.
Bei
dem mehrbandigen Fall der Aufgabestellung unter der Annahme des über dem
ganzen Messobjekt inhomogenen effektiven Emissionsgrades ε und der
Temperatur To wird die ganze aktive Fläche der Expofiltermaske mittels
einer aus J unterschiedlichen Interferenzfiltern bestehenden Interferenzfiltermaske
spektral in J <=
K verschiedene Spektralbände
und räumlich
in J Messstelen der Flächengröße So/J
mit verschiedenen K/J Expofilter aufgeteilt, wobei So die ganze
aktive Fläche
der Expofiltermaske ist.
Für die temperaturhomogene
Umgebung mit einziger Störstrahlungsquelle
und somit einem Streufaktor muss das Gleichungssystem in einem der
verschiedenen Spektralbänden
j der Gesamtzahl J so wie in (25-28) aus 4 Gleichungen bestehen.
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
bzw. für i > 1 (Multiexpofiltermaske):
wobei
alle aufzulösende
Unbekannte sich durch das Index j in einem der verschiedenen Spektralbänden auszeichnen.
Die
ganze Messstelle besteht aus K/J Expofilter, die nur 4 Unbekannten
auflösen,
d.h. wenn (K/J) > 4, sind
sonstige (K/J)-4 Expofilter in Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems
nicht beteiligt.
Die
Werte εj,
Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden
der 4 Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer
zu anderer der J Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen
angenommenen Messobjekt entspricht.
Für eine temperaturinhomogene
Umgebung mit einer bekannten Anzahl der Störstrahlungstemperaturen M und
der Singleexpofiltermaske (i = 1) muss das Gleichungssystem aus
M + 3 Gleichungen bestehen.
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
bzw. für i > 1 (Multiexpofiltermaske):
Die
ganze Messstelle besteht aus K/J Expofilter, die M + 3 Unbekannten
auflösen,
d.h. wenn (K/J) > M
+ 3, sind sonstige (K/J)-4 Expofilter in Aufstellung und Lösung des
Gleichungssystems nicht beteiligt.
Die
Werte εj,
Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden
der M + 3 Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von
einer zu anderer der J Messstellen unterscheiden können.
In
dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein Imaging Spektralpyrometer
auf.
Im
breitbandigen Fall der Aufgabestellung kann für alle beteiligte Elemente
K der Expofiltermaske bei einer temperaturhomogenen Umgebung das
Gleichsystem maximal aus K Gleichungen bestehen, was für 2N + 1
Unbekannten die analytische maximale Aufteilung des breiten Bandes
aus N = (K-1)/2 schmale Bände
der Breite (λ1-λ2)/N begrenzt.
Für i = 1
(Singleexpofiltermaske):
bzw. für i > 1 (Multiexpofiltermaske):
Für alle beteiligte
Elemente K der Expofiltermaske bei einer temperaturinhomogenen Umgebung
mit einer bekannten Anzahl von Störstrahlungstemperaturen M muss
die maximale Anzahl der Änderungen
der Temperaturkehrwerte K und die Anzahl der aufzulösenden Unbekannten
(2N + M + M·N)
betragen, woraus folgt, dass der breite Band maximal auf N = (K-M)/(2
+ M) schmale Bände
der Breite (λ1-λ2)/N ausgeteilt
werden kann.
Im
allgemeinen Fall für
i > 1 wird das Gleichungssystem
komplexer und wird deshalb in einer komprimierten Form folgendermassen
dargestellt:
wobei
für eigene
und reflektierte Strahlung unter f(1/T + 1/dT
1,2,3...N(x
i)) und fu(1/Tu
1 +
1/dT
1,2,3...N(x
1))
mit 0 < i < K eine Summe verstanden
wird.
Z.B.
für i =
1 gilt:
wobei
x
1 eine für jede Komponente der Reihe
gleiche Dicke repräsentiert.
Die
ganze Messstele besteht aus K Expofiltern, die sowie in (41-44)
die K Unbekannten auflösen,
d.h. in Aufstellung und Lösung
des Gleichungssystems sind sämtliche
Expofilter beteiligt. Die aufzulösenden
Werte ε,
S und T können
sich von einem zu anderem der K Expofilter unterscheiden.
In
dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein breitbandiges Imaging
Strahlungspyrometer auf.
Für die Lösung des
Gleichungssystems wird in allen bisherigen oben erwähnten Methoden
der ganze Spektralband stets in mehrere schmale Spektralbände mittels
enger Interferenzfilter aufgeteilt.
Im
hier präsentierten
Verfahren, wie es aus zwei letzten Gleichungssystemen (25-28, 25a-28a) hervorgeht,
wird der ganze breite Spektralband analytisch in Form einer Summe
mehrerer schmaler Spektralbände gezeigt,
was bedeutet, dass die Spektralaufteilung des ganzen Bandes, die
bisher mittels mehrerer Interferenzfilter verschiedener Spektralverhalten
zu schaffen ist, alternativ mittels eines einzigen gleich spektral
dispergierten Expofilters variabler Dicke (Keile) realisiert wird.
Andere in diesem Verfahren bevorzugte technisch effektivere Lösung ist
durch die oben erwähnte
Expofiltermaske verwirklicht.
Wen
man jeden aus der analytischen Aufteilung (45-48) erhaltenen schmalen
Band einer weiteren Aufteilung unterzieht, dann sind die Unbekannten
in (45-48) dementsprechend noch genauer bestimmt. Dabei kann die
Lösung
für den
breiten Band nur als grobe bzw. für die schmale Bände als
genaue angesehen werden. Die weitergehende Aufteilung würde zu unendlich
vielen verfeinerten Lösungen
führen,
was den Aufbau eines sehr präzisen
Spektralpyrometers ermöglicht.
Allgemein
ist es bekannt, dass jede wirkliche Temperaturänderung des Messobjekts die
Mitänderung des
Emissionsgrades und Streufaktores nach sich zieht. Aus diesen Gründen bleibt
sie unterbestimmt, solange keine spezielle Annahmen über das
Temperaturverhalten des Emissionsgrades (Tank; Pat.USA No. 4,974,182)
und des Streufaktors gesetzt werden, da nach jeder neuen vorgenommenen
Temperaturänderung das
Gleichungssystem immer wieder um neue temperaturabhängige Unbekannte
erweitert wird.
In
allen oben erwähnten
Fällen
lasst sich die Problematik der Unterbestimmung, wenn bei N Unbekannten
nur N-1 (im erweiterten Falle der inhomogenen störenden Umgebung N-M) Gleichungen
vorliegen, mittels der selbstständigen
simulierten aktiven Änderungen
des Temperaturkehrwertes beheben.
Dabei
stellt die simulierte Aktion der aktiven Änderung des Temperaturkehrwertes
das Ergebnis der Multiplikation der ursprünglichen Strahlung Φo(λ, To) (5)
mit dem Transmis sionsgrad F(λ,
x) (1) dar, und ist im monochromatischen Fall und für i = 1
auch ein Produkt der ursprünglichen
Strahlung Φo(λ, To) (5)
mit der Konstante K = a1·exp(-C2/λ·T(x)), was aber keine neue
Gleichung in das Gleichungssystem einbringt, sondern beide Seiten
der Gleichung nur um diese Konstante erweitert.
Da
es sich in unserem Fall immer um einen Band (λ
1-λ
2)
handelt, kann die Multiplikation der ursprünglichen Strahlung Φo(λ1, λ2, To) (7)
mit F(λ,
x) (1) nicht als Produkt der Strahlung Φo(λ1, λ2, To) mit der Konstante K interpretiert
werden, was aus der unten angeführten
Berechnung in der Gleichung (51) hervorgeht:
wo K(λ, T) selbst
eine von λ und
T abhängige
Funktion K = f(λ,
T) und somit für
den polychromatischen Fall keine Konstante ist.
Das
neue pyrometrische Kalibrierungsverfahren, das genau die klassiche
pyrometrische Kalibrierung simuliert, geht gemäss Aufgabenteil h) direkt aus
den Aufgabenlösungen
a)-g) der ganzen Hauptaufgabe hervor.
Das
Konzept der simulierten klassischen Kalibrierung ist schrittweise,
ausgehend von drei Überlegungen
aufgebaut.
Im
ersten Schritt der pyrometrischen Kalibrierung werden die für das Imaging
Pyrometer erforderliche mehrstufige aktive Temperaturänderungen
des Kalibrierungsstrahlers erfüllt.
Die
Rolle der mehrstufig zu ändernder
Temperatur des Kalibrierungsstrahlers übernimmt die im optischen Übertragungskanal
des Imaging Pyrometers eingebaute 2D-Expofiltermaske.
Im
zweiten Schritt wird der Kalibrierungsstrahler mit der zu variierenden
Temperatur durch den temperaturstabilisierten Schwarzstrahler konstanter
Temperatur ersetzt.
Im
dritten Schritt wird die unabhängige
Temperaturmessung des Schwarzstrahlers realisiert, die laut dem
aus den Aufgabenlösungen
a)-g) ausgearbeiteten Temperaturmessverfahren berührungslos
mit dem Imaging Pyrometer gemessen wird.
Somit
simuliert das neue Kalibrierungsverfahren durch die unterschiedlich
geschwächte
Abstrahlung des Schwarzstrahlers, die nach dem Durchgang der unterschiedlich
dicken Expofilter der 2D-Expofiltermaske zustande kommt und die
aktive mehrstufige Herabsetzung der effektiven Temperatur des Kalibrierungsstrahlers
simuliert, was exakt der klassischen pyrometrischen Kalibrierung
entspricht.
Aus
dem dritten Überlegungsschritt
der Kalibrierung geht das mit dem Temperaturmessverfahren eng verbundene
Konzept der Selbstkalibrierung hervor, wodurch das Imaging Pyrometer
neben der Temperaturmessfunktion die Funktion der Selbstkalibrierung
in sich vereinen lässt.
Da
die berührungslose
Temperaturmessung des Schwarzstrahlers gemäss dem in den Gleichungen (1-48)
ausgearbeiteten Temperaturmessverfahren materialunabhängig und
störungsfrei
ist, kann der während der
Kalibrierung benutzte Schwarzstrahler durch das Messobjekt ersetzt
werden. Im Detail heisst es, dass wenn das in (15-21) behandelte
inhomogene Messobjekt in der Rolle eines externen Kalibrierungsstrahlers fürs Imaging
Pyrometer auftritt, bilden alle in (15-21) erzielten Ergebnisse
hinsichtlich der simulierten aktiven Änderungen des ursprünglichen
Temperaturkehrwertes 1/To und hinsichtlich ihrer in (1-48) beschriebener
absoluter Temperaturwertmessungen eine Grundlage für die materialunabhängige und
störungsfreie
pyrometrische Selbstkalibrierung. Dabei werden die stufenweise simulierten
aktiven Temperaturänderungen
dT des Messobjekts aus der vorher gemessenen absoluten Temperatur
To des Messobjekts und den stufenweise simulierten aktiven Änderungen
des Temperaturkehrwerts T(x) der Expofilter unterschiedlicher Dicke
abgeleitet. Aus der Gleichung
wird dT und dementsprechend
die materialabhängige
und störungsfreie
Kalibrierungskonstante KK = Φoeλ, λ2, 1/To)/Φo(λ1, λ2, 1/To)
oder
wobei Φo(λ1, λ2, (1/To), Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) nach (22)
die Gesamtstrahlungsintensität
und Φoe(λ1, λ2, (1/To), Φoe(λ1, λ2, (1/To
+ 1/T(x)) ihre entsprechende und auf dem Imagedetektor des Imaging
Pyrometers erzeugte elektrische Spannungen.
Aufgrund
der räumlichen
Verteilung der Expofilter auf der 2D-Expofiltermaske werden die
erhaltenen variierenden Strahlungswerte und ihnen entsprechenden
Temperaturkehrwerte mit den einzelnen räumlich getrennten Detektoren
des 2D-Multidetektors erfasst, was zu Entstehung einer zweidimensionalen
Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers führt.
D.h.
dass:
wobei Φo(λ1, λ2, (1/Toj), Φo(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x)) nach (22)
die indexierte Gesamtstrahlungsintensitäten und Φoe(λ1, λ2, (1/Toj), Φoe(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x)) ihre entsprechende
und auf dem Imagedetektor des Imaging Pyrometers erzeugte indexierte
elektrische Spannungen der Messstelle j des Messobjekts.
Dabei
basieren die Kalibrierungskonstanten in (54-57), sowie in der Temperaturmessungsfunktion
des Imaging Pyrometers, zur Auflösung
des letzten Aufgabenteils i) auf dem gleichen Prinzip der simulierten
aktiven Änderungen
des Temperaturkehrwertes des Messobjekts und werden durch die spektral
identischen variabel dicken Expofilter der Expofiltermaske realisiert.
Besteht
die Expofiltermaske aus 100·100
Expofiltern, so ist der aktive Temperaturmessbereich des Imaging
Pyrometers von der Temperatur des Messobjekts T1 bis zur unteren
Temperaturmessgrenze T2 des Pyrometers auf 10000 Kalibrierungswerte
digitalisiert.
Ist
beispielsweise die obere Temperaturmessgrenze des Messobjekts durch
T2 = 1000 K bzw. 1/T = 10–3 K–1 und
die untere Grenze des Imaging Pyrometers durch T2 = 100 K bzw. 1/T
= 10–2 K–1 bestimmt,
wird sich die Kalibrierung auf den Bereich von 100-1000 K bzw. 10–3 bis
10–2 K–1 liegen.
Dementsprechend würde die
Temperaturauflösung
bei der Kalibrierung (1000-100)/100·100 = 0,09 K betragen.
Je
höher ist
die Anzahl der beteiligten Expofiltern der Expofiltermaske, desto
höher ist
die Temperaturquantierung des Bandes und die damit verbundene Genauigkeit
der Temperaturmessung bzw. Kalibrierung.
Die
Erfindung wird im Weiteren anhand beigefügter Zeichnungen detailliert
erläutert:
1 Das
allgemeine Schema für
die Erläuterung
der konstruktiven verfahrensbasierten Aufbaumerkmale des Imaging
Pyrometers.
2 Abbildung
der alternativen Ausführungen
des verstellbaren Keiles des Imaging Pyrometers.
3 Übersichtsdarstellung
eines zweifunktionellen Imaging Pyrometers in seiner primären Funktion der
Temperaturmessung und sekundären
Funktion der Selbstkalibrierung.
4 Schematische
Abbildung der viereckigen 2D-Interferenzfiltermaske für das schmalbandige
Imaging Teilstrahungspyrometer.
4a Schematische
Abbildung der alternativen ringförmigen
2D-Interferenzfiltermaske für
das schmalbandige Imaging Teilstrahungspyrometer.
5 Schematische
Abbildung der viereckigen 2D-Interferenzfiltermaske für das Imaging
Spektralpyrometer
5a Abbildung
der alternativen ringförmigen
2D-Interferenzfiltermaske für
das Imaging Spektralpyrometer
6 Schematische
Abbildung des viereckigen Imagedetektors
6a Schematische
Abbildung des alternativen ringförmigen
Imagedetektors
7 Schematische
Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske
7a Schematische
Abbildung der alternativen ringförmigen
2D-Expofiltermaske
8 Detaillierte
Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske mit Expofiltern
8a Detaillierte
Abbildung der alternativen ringförmigen
2D-Expofiltermaske mit Expofiltern
9 Detaillierte
Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske mit Expofaserfiltern
9a Detaillierte
Abbildung der alternativen ringförmigen
2D-Expofiltermaske mit Expofaserfiltern
10 Abbildung
des Verwandlungsverlaufes eines 2D-Temperaturbildes von dem Messobjekt über 2D-Expofilterfiltermaske
zum Imagedetektor für
das schmal- und/oder breitbandige Imaging Strahlungspyrometer
11 Abbildung
des Verwandlungsverlaufes eines 2D-Temperaturbildes von dem Messobjekt über den
Interferenzfilter und die 2D-Expofilterfiltermaske zum Imagedetektor
für das
Imaging Spektralpyrometer
12 Abbildung
der kreisförmigen
Ausführung
der Bestandteile des optischen Kanals des Imaging Pyrometers.
Zuerst
erläutert
die Erfindung anhand beigefügter
Zeichnungen 1, 2 die erste
Beispielsausführung
des Imaging Pyrometers:
1 zeigt
das allgemeine Schema für
die Erläuterung
der konstruktiven verfahrensbasierten Aufbaumerkmale des Imaging
Pyrometers.
Das
ganze Messprozess läuft
so ab, dass die mit der Optik 2 aufgenommene und nach dem
Durchgang einer der Interferenzfiltermaske 4a, 4b, 4e gefilterte
ursprüngliche
vom Messobjekt 1 ausgegangene Strahlung abhängig von
der Position des Keiles 5 verschieden geschwächt auf
jeden Detektor des Imagedetektors 6 trifft.
Die
Interferenzfiltermaske 4a besteht aus einem schmalen Interferenzfilter, 4b mehreren
spektralunterschiedlichen schmalen Interferenzfiltern, 4e einem
breiten Bandpassfilter.
Dabei
muss der Imagedetektor in schmalem Spektralband empfindlich genug
sein, um seine Funktionalität
sowohl in schmalem(n) als auch in breitem Spektrum der einfallenden
Strahlung zu garantieren.
Jede
für die
Messung nötige
nacheinander folgende Position des Keiles S ist eindeutig durch
die Dicke jedes Expofilters (8-12), durch den
bekannten Transmissionsgrad der bestimmten Änderung des aktuellen Temperaturkehrwertes
des Messobjekts 1 und der aktuellen Temperaturkehrwerte
aller Störstrahlungen
zugeordnet.
Dazu
kann wie in 2 abgebildet, Keil verschiedener
Ausführung 18-23 eingesetzt
werden. Die Keilen in Ausführung
(18-20) können
entweder in Form eines normalen monoliten Keiles 18 oder
aus einzelnen gleichen Expofiltern unterschiedlicher Dicke bzw.
Expofaserfiltern unterschiedlicher Länge zusammengesetztes mehrstufigen
Keiles (19 bzw. 20) aus einem Filterglas bestehend
gefertigt werden.
Dementsprechend
kann auch der Keil in ringförmiger
Ausführung
(21-23) entweder aus einem normalem monoliten „ringförmigem Keil" 21 oder
aus den Expofiltern unterschiedlicher Dicke bzw. Expofaserfiltern unterschiedlicher
Länge zusammengesetztes
mehrstufiges Keiles (22 bzw. 23) aus einem Filterglas
bestehend gefertigt werden.
Die
vertikale Verschiebung des Keiles 5 erfolgt so, dass jedes
Element (8-12) (in 1 schematisch und
in 8 detailliert dargestellt) der mehrstufigen Keile 5 elementabhängig an
jeden Detektor (13-17) des Imagedetektors 6 (in 6 detailliert)
kongruent angepasst wird, d.h., dass die Verschiebung des Keiles 5 immer
um eine ganze Zeile von Elementen erfolgt. In der kreisförmigen Ausführung (12)
ist der mehrstufige Keil 88, dessen Elemente gegenüber von
den einzelnen Detektoren des Imagedetektors 86 platziert
sind, um die Achse 87 nur um ganze Zahl von Elementen drehbar.
Dadurch
wird in 1 in 1D-Projektion schematisch
dargestelltes Imaging Pyrometer, abhängig von der schmal- oder breitbandigen
austauschbaren Interferenzfiltermaske (4b), (4a, 4c),
die vor dem verschieb- oder drehbaren mehrstufigen Keil 5 platziert
wird, als ein Imaging Spektral- bzw. Strahlungspyrometer aufgebaut.
Weiter
wird die Erfindung anhand beigefügter
Zeichnungen 3-12 detailliert
die zweite bevorzugte Beispielsausführung des Imaging Pyrometers
erläutern:
Der
Messprozess in 3 läuft so ab, dass die mit der
Optik 2 aufgenommene und nach dem Durchgang einer der Interferenzfiltermasken 4a, 4b, 4e gefilterte
ursprüngliche
vom Messobjekt 1 ausgegangene Strahlung abhängig vom
Durchgang des Expofilters (8-12) der 2D-Expofiltermaske 29 geschwächt auf
jeden Detektor (31-35) des Imagedetektors 30 trifft.
Alternativ
zu der in 1 schematisch und in 8, 9 detailliert
dargestellten verschieb- bzw. drehbaren
2D-Durchlassfiltermaske (Keil) wird eine statische eingesetzt. Jedes
in 3 in 1D-Projektion abgebildete Expofilter (8-12)
dieser 2D-Expofiltermaske 29 wird an den Imagedetektor 30 angelegt
und kongruent an jeden Detektor 31-35 des Imagedetektors 30 angepasst.
3 zeigt
eine Übersichtsdarstellung
des Imaging Pyrometers in seiner primären Funktion der Temperaturmessung
bzw. der sekundären
Funktion der Selbstkalibrierung mit Bezug auf die viereckige Ausführung der
in 4-9 abgebildeten Bestandteile
des optischen Kanals.
- 1. Die Abbildungsoptik 2 dient
zur Übertragung
der vom Messobjekt 1 aufgenommenen Strahlung in den optischen
Kanal 3.
- 2. Optischer Kanal 3 besteht aus einer der drei austauschbaren
Interferenzfiltermasken 4a, 4b, 4e, die
unterschiedliche Interferenzfilter 24-28 enthält, einer
Expofiltermaske 29 bestehend aus unterschiedlich dicken
und gleich spektral dispergierten Expofiltern 8-12 und
einem Imagedetektor 30 bestehend aus einzelnen gleichen
Detektoren 31-35. Die einzelne Bestandteile des
optischen Kanals 3 sind schematisch und detailliert entweder
in viereckige (in 4-7 bzw. 8, 9)
oder ringförmiger
(in 4a-7a bzw. 8a, 9a)
Ausführung
dargestellt. In viereckiger Ausführung
ist die Expofiltermaske 29 von Element zu Element 8-12 an die
Multidetektore 31-35 des Imagedetektors 30 fest
angelegt und kongruent angepasst. Die Anordnung der Bestandteile
des optischren Kanals 3 ist für die kreisförmige Ausführung detailliert
in 12 dargestellt.
- 3. Die weitere ausführliche
Erklärungen
erfolgen für
viereckige Ausführung.
a)
Die in 3 unten abgebildete Interferenzfiltermaske (4a, 4e)
ist aus einem für
das schmalbandige Imaging Teilstrahlungspyrometer bzw. breitbandige
Strahlungspyrometer (In 4 aus einem Interferenzfilter der
Interferenzfiltermaske 45) oder (4b) aus mehreren
unterschiedlichen Interferenzfiltern (In 5 beispielsweise
bestehend aus 64 Interferenzfiltern der Interferenzfiltermaske 46)
für das
Imaging Spektralpyrometer zusammengestellt, die den ganzen breiten
Band räumlich
und spektral auf einzelne schmale nicht überlagerte Spektralbände und
Messstellen aufteilen. (In 5a die
Interferenzfiltermaske 48 besteht beispielsweise aus 8
Interferenzfiltern)
b) Der in 6 schematisch
abgebildete Imagedetektor 49 besteht aus einzelnen identischen
64 Detektoren, die sowohl im breiten als auch in engen Bänden spektral
empfindlich genug für
den Empfang sein müssen.
(In 6a der Imagedetektor 51 besteht beispielsweise
aus 8 Detektoren).
c) Die in 9 schematisch
abgebildete Expofiltermaske 50 besteht beispielsweise aus 64 spektral
gleichen und verschieden dicken Interferenzfiltern. Die in 8 detailliert
dargestellte Expofiltermaske 53 besteht beispielsweise
aus 4x8 einzelnen planparallelen optischen gleich spezifisch spektral
dispergierten Expofiltern, die mit zunehmender Dicke (1a, 1b, 1c) über die
ganze aktive Fläche
S = a·b
verteilt sind. (In 8a die Expofiltermaske 52 besteht
beispielsweise aus 8 Expofiltern).
Als Alternative zu c) besteht
die in 9 detailliert abgebildete Expofaserfiltermaske 55 aus
beispielswesie 4x8 einzelnen optischen gleich spezifisch spektral
dispergierten Expofaserfiltern, die mit zunehmender Länge (1a, 1b, 1c) über die
ganze aktive Fläche
S = a·b
verteilt sind. (In 9a Expofaserfiltermaske 56 besteht
beispielsweise aus 10 Expofaserfiltern).
- 4. Entsprechend der 3 trifft auf jedes Element des
Imagedetektors 16 zuerst eine mit der austauschbaren Interferenzfaltermaske 4a, 4b, 4e gefilterte
und danach mit Expofiltermaske 29 um einen Temperaturkehrwert gesunkene
Strahlung des Messobjekts 1. Auf die austauschbare Interferenzfiltermaske
wird grafisch mit dem Zeichen „j" hingewiesen.
- 5. 10 zeigt detailliert für das schmal-
oder breitbandige Imaging Strahlungspyrometer begrenzt auf eine Zeile
der Expofiltermaske den Vorgang der Verwandelung der ursprünglichen
abgebildeten Temperaturverteilung. Die ursprüngliche durch Kurve a abgebildete
1D-Temperaturverteilung
des Messobjekts 59 ergibt nach dem Durchgang des Interferenzfilters 58 mit
einem durch Kurve b dargestellten spektralneutralen Transmissionsgrad
eine gefilterte aber keine geänderte
Temperaturverteilung. Nach erfolgtem Durchgang simuliert der anhand
der Expofilter 72-78 der Expofiltermaske 59 von
Element zu Element stufenweise abnehmender Transmissionsgrad (Kurve
c) ein Temperaturbild stufenweise abgesetzter Temperatur. Dieser 1D-Endtemperaturbild
wird auf die Detektore (99-85) des Imagedetektors 60 (Kurve
d) projiziert.
- 6. 11 zeigt detailliert für das mehrbandige
Imaging Spektralpyrometer begrenzt auf eine Zeile der Expofiltermaske
den Vorgang der Verwandelung der ursprünglichen abgebildeten Temperaturverteilung.
Die ursprüngliche
durch Kurve e abgebildete 1D-Temperaturverteilung des Messobjekts 61 ergibt
nach dem Durchgang den Interferenzfiltern 65-71 der
Interferenzfiltermaske 62 mit einem durch Kurve f dargestellten spektralneutralen
Transmissionsgrad eine verschieden gefilterte aber keine geänderte Temperaturverteilung.
Nach erfolgtem Durchgang simuliert der anhand der Expofilter 72-78 der
Expofiltermaske 63 von Element zu Element stufenweise abnehmender
Transmissionsgrad (Kurve g) ein Temperaturbild stufenweise abgesetzter
Temperatur. Dieser 1D-Endtemperaturbild wird auf die Detektore (79-85)
des Imagedetektors 64 (Kurve h) projiziert.
- 7. Wie es aus 3 hervorgeht, werden alle elektronisch
eingelesene Signale von den Detektoren 31-35 des
Imagedetektors 30 mittels des A/D Multiumwandlers 36 simultan
digitalisiert und ins Buffer 37 geschickt.
- 8. Im Buffer 37 wird der gespeicherte Signalarray für die Temperaturmessung
oder Selbstkalibrierung an den Rechnungsblock 39 weitergeleitet.
- 9. Das Imaging Pyrometer kann nach Umschalten mit dem Schalter 38 in
zwei Moden (A, B) betrieben werden, die den Rechnungssoftwares 40 und 41 im
Rechnungsblock 38 zugeordnet sind. Die Software 41 ist dabei
für die
Kalibrierung des Imaging Pyrometers und die Software 40 für die Temperaturmessung
vorgesehen, was nur sequentiell erfolgen kann.
- 10. Mit der Software 40 wird für die Temperaturmessung im
Modus (A) anhand aller vom Buffer 37 abgesandten elektrischen
Signalen ein Gleichungssystem aufgestellt und mit einem vorprogrammierten
Algorithmus aufgelöst.
Die daraus errechneten Temperaturen werden an eine spezielle Software 42 weitergeleitet,
die der Formierung und Abbildung des wahren 2D-Temperaturbildes am PC 44 dient.
- 11. Für
die Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers (Schalter 38 im
Modus (B)) wird aus der bekannten Temperatur der Messstelle des
Messobjekts 1, die gegenüber dem entsprechenden Expofilter
liegt, und den bekannten unterschiedlichen Transmissionsgradwerten
jedes Expofilters (8-12) stets unterschiedliche
simulierte Temperaturen der Messstelle des Messobjekts abgeleitet.
Die
Temperaturen verschiedener Messstellen des Messobjekts 1 erhält man vorher
gemäss
Punkt 11 mit dem Schalter 38 im Modus (A) der
Temperaturmessung, die von Software 42 über PC 44 in die Software 41 für die Sebstkalibrierung
weitergegeben werden.
Die
Werte des Transmissionsgrades jedes Expofilters werden in der Software 41 gespeichert.
Anhand der mit der Software 41 jedem Expofilter (8-12)
zugeordneten Temperaturwerten wird mit spezieller Bildbearbeitungssoftware 43 an
PC 44 ein kalibriertes 2D-Temperaturbild geschaffen. Das
erhaltene 2D-Temperaturbild wird mit der Software 43 mit
einem von Software 41 gelieferten Mustertemperaturbild
verglichen.
Die
jedem Expofilter aufgrund des Temperaturbildvergleichs zugeordnete
Abweichung vom Mustertemperaturbild wird in der Bildbearbeitungssoftware 43 gespeichert
und als Korrektur für
die Kalibrierung und die nachfolgende Temperaturmessungen berücksichtigt.
Somit
ergibt sich zusammenfassend:
- a) das Temperaturmess-
und Kalibrierungsverfahren und das darauf aufbauende selbstkalibrierende
Imaging Pyrometer ermöglichen
in seiner primären
Funktion der Temperaturmessung die gleichzeitige Bestimmung der
Temperatur und des Emissionsgrades des inhomogenen Messobjekts,
der Temperaturen und der Streufaktore der von diesem Messobjekt
reflektierter Störstrahlungen
und dadurch die materialunabhängige
und störungsfreie
Temperaturmessung in einem oder mehreren schmalen Spektralbänden oder
einem breiten Spektralband. Die gleichzeitige Bestimmung aller dieser
Unbekannten erfolgt durch die Lösung
eines Gleichungssystems, das ausgehend von Messungen mehrerer, aus
eigenen und reflektierten Störstrahlungen
bestehenden Gesamtstrahlungen vom Messobjekt, aufgestellt wird.
Mehrere Messungen der Gesamtstrahlung werden für die Erstellung und die Lösung des
bisher unbestimmten Gleichungssystems ausgehend von mehreren simulierten
aktiven Änderungen
des aktuellen Temperaturkehrwert des Messobjekts und der aktuellen
Temperaturkehrwerte sämtlicher
vom Messobjekt reflektierter Störstrahlungen durchgeführt, die
mittels aus gleich spezifisch spektral dispergierten und unterschiedlich
dicken Durchlassfiltern bestehenden Durchlassfiltermaske realisiert
werden.
Dabei
sind die Werte der simulierten aktiven Änderungen sowohl für den aktuellen
Temperaturkehrwert des Messobjekts als auch für die aktuellen Temperaturkehrwerte
sämtlicher
vom Messobjekt reflektierter Störstrahlungen
gleich 1/Ti(x) und ergeben sich simultan.
Die
ganze aktive Messfläche
der Expofiltermaske wird dabei anhand einer an der Expofiltermaske
angebrachten Interfernzfiltermaske, die aus verschiedenen Interferenzfiltern
besteht, spektral und räumlich
in verschiedene Spektralbände
bzw. Messstellen aufgeteilt.
Deswegen
sind die aufzulösenden
Unbekannten im Rahmen des aufgestellten Gleichungssystems räumlich und
spektral auf der aktiven Fläche
der Expofiltermaske verteilt und an jeden Expofilter der Expofiltermaske
gebunden, wodurch das Pyrometer zu einem zweidimensionalen ortsaufgelösten imagebasierten Messungssystem
in der Funktion eines Imaging Spektral- oder Strahlungspyrometers
wird.
- b) das Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren
und darauf aufbauendes Imaging Pyrometer simuliert in seiner sekundären Funktion
der Selbstkalibrierung mittels der aus den gleich spezifisch spektral
dispergierten verschieden dicken Expofiltern bestehenden Expofiltermaske
die stufige Herabsetzung der aktuellen Temperatur der auf den Imagedetektor
des Imaging Pyrometers einfallenden Strahlung des externen Kalibrierungsstrahlers,
der vorn Messobjekt ersetzt wird. Die absolute Temperaturmessung
des Messobjekts wird dabei nach a) bestimmt.
Dadurch
wird die pyrometrische zweidimensionale materialunabhängige und
störungsfreie
Temperaturmesung Selbstkalibrierung abhängig von einer an der Expofiltermaske
angebrachten Interferenzfiltermaske für ein Imaging Spektralpyrometer
bzw. Imaging Strahlungspyrometer durchgeführt, wobei jeder Herabsetzung der
aktuellen Temperatur des Messobjekts ein bestimmter Expofilter der
Expofiltermaske zugeordnet wird.
Somit
basiert das pyrometrische Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren
sowohl für
die Temperaturmessung als auch für
die Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers auf dem gleichen Prinzip
der simulierten aktiven Änderungen
der aktuellen Temperatur des Messobjekts bzw. Kalibrierungsstrahlers
und verwendet dafür
die identische Expofiltermaske, wobei das darauf basierende Imaging
Pyrometer für
seine Selbstkalibrierung anstatt des Schwarzstrahlers das Messobjekt
selbst verwendet.