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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur
eines Objektes, mit einem Gehäuse,
welches zumindest eine Eintrittsöffnung
für elektromagnetische
Strahlung aufweist, wobei in dem Gehäuse zumindest ein Quantendetektor
angeordnet ist, dem in Richtung auf die Eintrittsöffnung ein
optisches System, sowie zumindest ein erstes Filterelement vorgeordnet
sind, eine Vorrichtung zur Erstellung einer Emissivitäts-Karte
eines Oberflächenbereiches
eines Objektes bei erhöhter
Temperatur, mit einem Quantendetektor, der einen Detektionsbereich
aufweist, der in einzelne Punkte einer Bildmatrix unterteilt ist,
und jedem Punkt ein Quantensensor zugeteilt ist, mit zumindest einer
optischen Linse, die zwischen dem Objekt und dem Quantendetektor
angeordnet ist, sowie mit einer Datenverarbeitungsanlage, ein Verfahren zur
berührungslosen
Messung der Temperatur eines Objektes, bei dem zumindest ein erster
Wellenlängenbereich
der von einer definierten Fläche
eines Objektes ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung durch
zumindest ein Filterelement selektiert wird und die elektromagnetische
Strahlung dieses selektierten Wellenlängenbereichs über den
Strahlengang eines optischen Systems einem Quantendetektor zugeführt und
in elektrische Signale umgewandelt wird, ein Verfahren zur Erstellung
einer Emissivitäts-Karte eines
Oberflächenbereiches
eines Objektes bei erhöhter
Temperatur, wobei der Bereich in einzelne Punkte einer Bildmatrix
unterteilt wird, sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Erstellung
einer Emissionskarte einer Objektoberfläche, zur Steuerung eines Ofens
bzw. zur Mitverfolgung und gegebenenfalls Steuerung von thermischen
oder thermochemischen Prozessen.
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Bekanntlich
stehen zur Temperaturmessung verschiedenste Vorrichtungen beginnend
von herkömmlichen
Quecksilberthermometern bis zu diversen Thermoelementen zur Verfügung. Die
Messung der Temperatur erfolgt dabei durch direkten Kontakt dieser
Vorrichtungen mit dem zu vermessenden Objekt. Probleme entstehen
bei dieser Art der Temperaturmessung immer dann, wenn die Temperatur
so hoch ist, dass keine geeigneten Werkstoffe für die Thermometer zur Verfügung stehen.
Für diesen
Fall oder für
den Fall, dass berührungslos
gemessen werden muss stehen dem Fachmann so genannte Strahlungspyrometer
zur Verfügung,
mit denen zur Temperaturbestimmung die von dem zu vermessenden Objekt
ausgehende elektromagnetische Strahlung gemessen wird. Herkömmliche
Infrarot-Strahlungspyrometer haben jedoch den Nachteil, dass sie
relativ teuer sind bzw. im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm
und 1100 nm keine bzw. keine ausreichende Empfindlichkeit zeigen
bzw. nur punktuell Messwerte liefern. Zur Umgehung des Kostennachteils
wurden Messsysteme entwickelt, welche mit Standard CCD-Farbkameras
arbeiten (CCD: Charge-Coupled-Device).
Ein derartiges Pyrometer ist z.B. aus „Temperature mapping in heat
treatment processes with a standard colour – video-camera – by means
of image processing; Gerald Zauner, Daniel Heim, Günther Hehndorfer,
Kurt Niel; Electronic Imaging Proceedings, Machine Visison Applications
in Industrial Inspection XI, IS&T/SPIE
Vol.5011,2003" bekannt. Mit
diesem System ist es nicht nur möglich,
die Temperatur an sich zu messen, sondern auch die Temperaturverteilung,
beispielsweise in einem Plasmareaktor.
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„A Multiwavelength
Imaging Pyrometer for High-Temperature Material Testing; C.J. Fisher,
P.M. Sherrouse, W.M. Ruyten; 11. AIAA/AAAF International Conference
29. September bis 4. Oktober 2002; Orleans, Frankreich; AIAA 2002-5154" beschreibt ebenfalls
ein derartiges System, bei dem vier CCD-Kameras zur Erfassung von
vier Wellenlängen (700,
800, 900 und 1050 nm) verwendet werden. Dieses Pyrometer hat weiters
ein optisches System, durch welches die von dem zu vermessenden
Objekt ausgehende elektromagnetische Strahlung auf den CCD-Sensor
gelenkt wird. Als Kamerasensor wird eine Schwarz-Weiß-CCD-Kamera
mit einem 10 Bit Digitizer verwendet. Zur Selektierung der zu vermessenden
Wellenlängen
umfasst dieses Pyrometer Interferenzfilter mit 10 mm Bandbreite.
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Auch
in „Real
Time Multispectral High Temperature Measurement: Application to
control in the industry; F. Meriaudeau, A.C. Legrand, P. Gorria;
Machine Vision Applications in Industrial Inspection XI, proceedings
of SPIE-IS & T
Elektronic Imaging, SPIE Vol. 5011 (2003), 2003 SPIE-IS & T.0277-786X/03" ist ein Pyrometer
unter Verwendung von zwei CCD-Kameras
beschrieben. Zur Erfassung der Strahlung bei zwei unterschiedlichen
Wellenlängen wird
ein Diprisma mit nachgeschalteten Spektralfiltern mit enger Bandbreite
verwendet.
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Nachteilig
an diesen Pyrometern ist, dass diese zum Teil apparativ aufwendig
sind – es
sind mehrere CCD-Kameras erforderlich – bzw. dass damit Temperaturen
unterhalb ca. 500°C
nicht bzw. nicht mit hinreichender Genauigkeit der Messwerte gemessen
werden können.
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Aus
der US 2003/0123518 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen
Temperaturmessung sowie zur Prozesskontrolle bekannt, mit der Oberflächenemissionsintensitäten, ausgewählt aus
zwei NIR-Wellenbereichen, über
eine Matrix gemessen werden. Durch die Messung bei zwei verschiedenen Wellenlängen ist
es möglich,
den Emissionsfaktor durch Verhältnisbildung
weitgehend zu eliminieren, sodass als Messergebnis eine Farbtemperaturkarte der
vermessenen Oberfläche
erhalten wird. Als Sensor wird ein so genannter CCD-Sensor oder
eine CCD-Kamera verwendet. Die Vorrichtung umfasst dazu weiters
zumindest eine Linse und zumindest ein NIR-Filter. Die Linse, das
Filter und die CCD-Kamera sind in einem wassergekühlten Periskop
montiert.
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Die
EP 1 302 759 A2 beschreibt
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung
eines Objektes. Dazu wird an jedem diskreten Punkt des Abbildes
des Objektes wiederum auf der Basis der Verhältnisbildung der Strahlungsintensität aus einem
ersten und einem zweiten Abbild, gemessen bei einer ersten und einer
zweiten Wellenlänge,
mit einem ersten und einem zweiten photosensitivem Bereich eines
Detektors, die Temperaturverteilung bestimmt. Die entsprechende
Vorrichtung hierfür
umfasste einen Halbspiegel zur Aufteilung der emittierten Strahlung
auf zwei Strahlengänge,
eine CCD-Vorrichtung sowie einen halbdurchlässigen Spiegel vor einem Linsensystem
der CCD-Vorrichtung, über
den die beiden Strahlengänge
dem Linsensystem zugeführt
werden. In den beiden Strahlengängen
sind Filterelemente angeordnet, die aufeinander in definierter Weise
ausgewählt
sind. Über diese
Filterelemente wird ein enger Spektralbereich, beispielsweise in
der Größenordnung
von 10 nm, ausgewählt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, thermische
oder thermochemische Verfahren zur Modifizierung von metallischen
Oberflächen überwachen
und/oder steuern zu können.
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Diese
Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig durch die eingangs genannte
Vorrichtung, bei der das zumindest eine Filterelement eine 50% Transmission
für Wellenlängen ab
zumindest annähernd
500 nm oder bis zumindest annähernd 400
nm aufweist, wobei die Transmission für Wellenlängen ab 500 nm auf zumindest
annähernd
100% zunimmt oder von zumindest annähernd 100% bis zu 400 nm abnimmt,
sowie durch das eingangs erwähnte
Verfahren zur berührungslosen
Messung der Temperatur, nach dem ein Wellenlängenbereich selektiert wird
mit einer 50% Transmission für
Wellenlängen
ab zumindest annähernd
500 nm oder bis zumindest annähernd
400 nm, wobei die Transmission für
Wellenlängen
ab 500 nm auf zumindest annähernd
100% zunimmt oder von zumindest annähernd 100% bis zu 400 nm abnimmt,
gelöst.
Von Vorteil ist dabei, dass durch die Erfassung und Auswertung der
elektromagnetischen Strahlung eines großen Wellenlängenbereichs die Temperaturmessung
bis zu einer unteren Grenze von ca. 200°C erfolgen kann. Es wird damit möglich, technische
bzw. thermische oder thermochemische Prozesse, wie beispielsweise
Härtungs- oder
Beschichtungsverfahren in Plasmareaktoren, nicht nur visuell über die
charakteristische Temperaturstrahlung mitzuverfolgen, sondern kann
bei entsprechender Auswertung der von der Vorrichtung erhaltenen
Messdaten auch die Steuerung des Prozesses, z.B. des Plasmareaktors
oder eines Vakuumofens, erfolgen, und zwar schon in einem Stadium,
in dem der thermische bzw. thermochemische Prozess, z.B. ein Härtungs-
oder Beschichtungsvorgang, einsetzt, also bei niedrigeren Temperaturen
und nicht erst wenn der Prozess bereits läuft bzw. großteils schon
beendet ist. Von Vorteil ist weiters, dass die Temperaturmessung
optisch durch die Aufnahme von zweidimensionalen Bildern der zu
vermessenden Oberfläche
erfolgt, wodurch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere
dadurch, dass ein Quantendetektor, vorzugsweise eine Graustufen-CCD-Kamera
verwendet wird, nicht nur Temperaturwerte erhalten werden, sondern
gleichzeitig auch durch die Möglichkeit
der Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen, die Oberfläche des
zu vermessenden Gegenstandes, z.B. während des gesamten Prozessablaufes,
dargestellt werden kann, sodass, insbesondere durch die Erstellung
von Emissionskarten, die Beurteilung des Prozessverlaufs nicht ausschließlich auf
Erfahrungswerten von Fachleuten in Hinblick auf die Veränderung
der Oberfläche des
Gegenstandes basiert, sondern diese Werte bzw. die ausgewerteten
Bilder direkt in die Steuerung des Prozesses einfließen können. Es
ist damit ein höherer
Grad an Automatisierung von derartigen Prozessen möglich. Von
Vorteil ist zudem, dass bei Verwendung eines Silizium-CCD-Chips dessen
Empfindlichkeit gegenüber
Lichtquanten aufgrund des verwendeten großen Wellenlängenbereiches besser ausgenutzt
wird, wodurch die Genauigkeit der Messung steigt.
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Das
zumindest eine Filterelement kann gemäß Weiterbildungen die 50% Transmission
bei zumindest annähernd-850
nm oder 900 nm oder 1000 nm oder 1050 nm oder 1100 nm oder 1200
nm aufweisen, wobei durch die Nutzung des VNIR-Bereichs (very near
infrared) es möglich
ist, störende
Einflüsse durch
Umgebungslicht (400 nm bis 750 nm) zumindest weitgehend auszuschalten
und dabei zusätzlich die
Grenze der messbaren Temperatur weiter gesenkt werden kann.
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Nach
einer Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass das zumindest eine Filterelement für elektromagnetische
Strahlung aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von zumindest
600 nm und einer oberen Grenze von zumindest 750 nm durchlässig ist,
sodass, sollten oben genannte Einflüsse nicht störend wirken,
prinzipiell auch Wellenlängenbereiche
im MS-Bereich zur Verfügung
stehen, insbesondere wenn die Temperatur des Messobjektes ausreichend
ist.
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Gemäß Weiterbildungen
ist vorgesehen, dass das erste Filterelement bis zu einer oberen Grenze
von 1100 nm bzw. 1200 nm bzw. bis zu einer oberen Grenze von 3 μm für elektromagnetische Strahlung
durchlässig
ist, wodurch zum einen die Kosten der Vorrichtung weiter gesenkt
werden können,
da die Anforderungen an das Filterelement bezüglich Wellenlängenselektion
geringer sind und zum anderen ein noch größerer Wellenlängenbereich
zur Auswertung zur Verfügung
steht, wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung steigt.
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Von
Vorteil ist es weiters, wenn im Strahlengang ein oder mehrere weitere
Filterelemente) mit zum ersten Filterelement unterschiedlicher Durchlässigkeit
für elektromagnetische
Strahlung zumindest zeitweise anordenbar ist oder sind, wodurch
sehr genaue Messwerte durch Verhältnisbildung
der Signale möglich
sind.
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Dabei
ist von Vorteil wenn jedes Filterelement eine 50% Transmission bei
einer Wellenlänge aufweist,
die um zumindest 50 nm von der 50% Transmission der anderen Filterelemente
unterschiedlich ist, wobei nach einer weiteren Variante der Erfindung
das weitere Filterelement bis zu einer oberen Grenze von 750 nm
für elektromagnetische Strahlung
durchlässig
sein kann. Damit wird es möglich,
die vom Objekt emittierte Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen
zu detektieren, sodass damit eine Quotientenbildung möglich ist
und eine höhere
Genauigkeit des Messwertes, beispielsweise durch Ausschaltung der
jeweils spe zifischen Emissionskoeffizienten, welche die Abweichung
vom ideal schwarzen Strahler beschreiben, erhalten werden kann.
Es ist damit eine ausreichende Beabstandung der jeweiligen selektierten
Wellenlängenbereiche
mit geringst möglicher Überlappung
zumindest im Bereich der 50% Transmission möglich. Dadurch, dass das weitere
Filterelement bis zu einer oberen Grenze von 750 nm für elektromagnetische
Strahlung durchlässig
sein kann, wird eine ausreichende Signalstärke bei vernachlässigbarer Überlappung der
beiden Spektralbereiche ermöglicht.
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Das
erste Filterelement und/oder das oder die weiteren Filterelement
kann bzw. können
als Kantenfilter ausgebildet sein, sodass auf kostengünstige Filterelemente
zurückgegriffen
werden kann.
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Zumindest
eines der Filterelemente kann auch als Bandpassfilter ausgebildet
sein, der Grad der Überlappung
in den selektierten Wellenlängenbereichen
weiter reduziert werden kann.
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Weiters
ist es möglich,
dass zumindest eines der Filterelemente als Interferenzfilter ausgebildet
ist, womit aus dem vom Objekt ausgesandtem Spektralbereich jede
gewünschte
Transmissionskurve erhalten werden kann.
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Das
erste und/oder die weiteren Filterelemente können als Farbfilter ausgebildet
sein, bzw. kann gemäß einer
Ausführungsvariante
vorgesehen werden, dass das erste Filterelement als „Rotfilter", d.h. für rotes
Licht durchlässig
und das weitere Filterelement als „Grünfilter", d.h. für grünes Licht durchlässig ausgebildet
ist. Damit stehen für
die Messung einfach aufgebaute kostengünstige Filterelemente zur Verfügung.
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Nach
einer Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass vor dem optischen System ein Filterrad angeordnet
ist, auf bzw. in dem die Filterelemente angeordnet sind. Es ist
damit ein schneller Wechsel zwischen den gewünschten, zu detektierenden
Spektralbereichen möglich.
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Dieses
Filterrad kann mit einem Schrittmotor wirkungsverbunden sein, wodurch
die Automatisierbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht werden
kann.
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Es
ist auch möglich,
dass dem Filterrad ein Sensorelement zur Erkennung der relativen
Win kellage des Filterrades zugeordnet ist, wobei dieses Sensorelement
in Wirkverbindung mit dem Schrittmotor einer Datenverarbeitungsanlage,
z.B. einem PC, stehen kann, sodass die jeweilige Stellung des Filterrades
automatisch erkannt wird und damit ein positionsgenaues Verfahren
des Filterrades in die gewünschte
Stellung, z.B. beim Einschalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
erfolgen kann und damit beispielsweise ein vorgegebener zeitlicher
Ablauf in Bezug auf die Verwendung der Filterelemente automatisch
möglich
ist.
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Es
ist auch möglich,
dass der Quantendetektor mit der Datenverarbeitungsanlage, beispielsweise dem
PC, leitungsverbunden ist, sodass nicht nur die automatische Aufzeichnung
der Messwerte bzw. der gemessenen Bilder der Oberfläche des
zu vermessenden Objektes ermöglicht
wird, sondern mit Hilfe eines in der Datenverarbeitungsanlage hinterlegten Bildverarbeitungsalgorithmus
auch die Auswertung dieser Bilder erfolgt und die Steuerung eines
Prozesses ermöglicht
wird.
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Von
Vorteil ist es weiters, wenn die CCD-Kamera über den einzelnen CCD-Sensoren
für NIR-optimierte
Mikrolinsen aufweist, da sich damit die Genauigkeit der Temperaturmessung
bei niederen Temperaturen erhöhen
lässt.
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Gemäß Weiterbildungen
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optische System, insbesondere
dessen Objektiv, mit einer Verstelleinrichtung, z.B. einem Schrittmotor,
leitungsverbunden ist, dass weiters die Verstelleinrichtung des
optischen Systems mit der Datenverarbeitungsanlage und/oder dem
Sensorelement bzw. dem Schrittmotor des Filterrades leitungsverbunden
ist bzw. dass an zumindest einem Filterelement zumindest eine Korrekturlinse
zum Ausgleich der wellenlängenabhängigen Lichtbrechung
angeordnet ist sowie dass in das optische System zumindest eine
Korrekturlinse zum Ausgleich der wellenlängenabhängigen Lichtbrechung einschiebbar
ist. Es wird damit eine größere Genauigkeit
der Messwerte durch Berücksichtigung des
Fokusdifferenzfehlers, d.h. der wellenlängenabhängigen Lichtbrechung, erreicht.
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Es
ist weiters möglich,
dass für
die definierte, betrachtete Fläche
des Objektes eine Größe ausgewählt wird,
die einer Pixelanzahl im Quantendetektor entspricht, die ausgewählt ist
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 3000 Pixel und einer
oberen Grenze von 7000 Pixel bzw. mit einer unteren Grenze von 4000
Pixel und einer oberen Grenze von 6000 Pixel bzw. dass die definierte
Fläche
des Objektes eine Größe aufweist,
die 5000 Pixel im Quantendetektor entspricht, wodurch die Temperaturauflösung je
nach Erfordernissen gestaltet werden kann und damit auch Einfluss
auf die Datenmenge genommen werden kann, die verarbeitet werden
muss, und somit auch auf die Geschwindigkeit der Messung.
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Aus
dem gesamten vom Objekt ausgesandten Wellenlängenbereich kann gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens ein weiterer Wellenlängenbereich
selektiert und über
den Strahlengang des optischen Systems dem Quantendetektor zeitlich
verschoben zum ersten Wellenlängenbereich
zugeführt und
in elektrische Signale umgewandelt werden, wobei für jedes
Pixel der Quotient der jeweiligen Signale aus dem ersten und dem
weiteren Wellenlängenbereich
gebildet werden kann. Damit können
zum einen diverse Störfaktoren,
wie beispielsweise die besagten Emissionskoeffizienten, ausgeschalten
werden, zum anderen ist es damit auch möglich, Kalibrierkurven zu erstellen,
sodass eine bessere Temperaturzuordnung möglich ist.
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Pro
Wellenlängenbereich
können
mehrere Messungen hintereinander durchgeführt werden und die jeweiligen
pixelbezogenen Messwerte addiert bzw. zeitlich gemittelt werden,
wodurch ein gegebenenfalls auftretendes Untergrundrauschen im Hinblick
auf die Messwerte minimiert werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird eigenständig auch durch eine Vorrichtung
zur Erstellung einer Emissivitäts-Karte
eines Oberflächenbereiches
eines Objektes bei erhöhter
Temperatur, bei der in einem Speicher der Datenverarbeitungseinrichtung
ein Programm hinterlegt ist, mit dem für jeden Punkt der Bildmatrix
die Differenz zwischen der jeweiligen gemessen Abstrahlungsintensität des entsprechenden Punktes
des Objektes und einer errechneten, theoretischen Abstrahlungsintensität errechnet
und diese Differenz zur visuellen Darstellung und/oder als Input einer
Regel- und/oder Steuereinrichtung einer Vorrichtung zur Modifikation
der Oberfläche
des Objektes zur Verfügung
gestellt wird, sowie durch ein eingangs genanntes Verfahren zur
Erstellung einer Emissivitäts-Karte
eines Oberflächenbereiches
eines Objektes bei erhöhter
Temperatur, nach dem bei dem Objekt die Abstrahlungsintensitäten für jeden
Punkt der Bildmatrix bei der erhöhten
Temperatur bestimmt und diese Werte mit theoretischen Abstrahlungsintensitäten bei
dieser Temperatur verglichen werden und aus den beiden Werten jedes
Punktes der Bildmatrix eine Abstrahlungsintensitätendifferenz errechnet und
dargestellt wird, gelöst.
Von Vorteil ist dabei, dass bei einer derartigen Lösung der
ge stellten Aufgabe mit dieser Messemethodik Inhomogenitäten der metallischen
Oberfläche
schon während
der Behandlung, also in-situ, erkannt werden, sodass sofort händisch oder
automatisch regelnd auf bestimmte Parameter, wie z.B. Temperatur,
Mengenregelung eines eventuell zuzuführenden Prozessgases etc.,
eingegriffen werden kann und in der Folge qualitativ höherwertigere
Produkte hergestellt werden können
bzw. der Prozentsatz an Ausschussware gesenkt werden kann. Darüber hinaus
ist es damit möglich
Emissivitäts-Karten
in Speichern zu hinterlegen, sodass gegebenenfalls auf diese Karten
zurückgegriffen
werden kann und Vergleiche hinsichtlich der Qualität des laufenden
Produktionsprozesses mit Emissivitäts-Karten derselben Produkte
angestellt werden können.
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Die
Vorrichtung kann dabei zwischen dem Objekt und der Linse zumindest
zwei Filterelemente aufweisen, mit denen zwei bestimme Spektralbereiche
zur Messung der Temperatur des Objektes ausgewählt werden können, sodass
mit ein und der selben Vorrichtung sowohl die Bestimmung der wahren Temperatur
als auch die Ermittlung der Emissivitäts-Werte durchgeführt werden
kann.
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Weiterbildungen
des Verfahrens zur Erstellung einer Emissivitäts-Karte sind in den Ansprüchen 48
bis 56 gekennzeichnet und können
deren Vorteile der folgenden Beschreibung entnommen werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Fig. näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vereinfachter
Darstellung;
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2 den
zeitlichen Verlauf der Signalstärken
von zwei Spektralbereichen bei verschiedenen Objekttemperaturen;
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3 das
Schema einer Driftkorrektur.
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Einführend sei
festgehalten, dass die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben,
unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte
Figur bezogen sind und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die
neue Lage übertragen
werden können.
Weiters können auch
Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen des gezeigten und beschriebenen
Ausführungsbeispiels
für sich
eigenständige,
erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Das
Ausführungsbeispiel
zeigt eine mögliche Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wie sie in den Patentansprüchen
charakterisiert ist, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung
nicht auf die speziell dargestellte Ausführungsvariante beschränkt ist,
sondern vielmehr auch diverse weitere Ausbildungen der Erfindung
möglich sind
und liegt diese Variationsmöglichkeit
aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche
Erfindung im Können
des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes. Es sind also auch
sämtliche
denkbaren Ausführungsvarianten, die
durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen
Ausführungsvariante möglich sind,
vom Schutzumfang mitumfasst.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 zur berührungslosen Messung der Abstrahlungsintensitäten und/oder
Temperatur eines Objektes, z.B. eines metallischen Gegenstandes,
dargestellt. Diese Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2,
welches mit Ausnahme einer Eintrittsöffnung 3 für die vom
Objekt abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zumindest weitestgehend
lichtundurchlässig
sein sollte, um Streulichteffekte zu vermeiden.
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Im
Gehäuse 2 ist
ein Quantendetektor 4 oberhalb der Eintrittsöffnung 3 für die Erfassung und/oder
Umwandlung der vom zu messenden Objekt ausgesandten elektromagnetischen
Strahlung in elektrisch verarbeitbare Signale angeordnet. Vorzugsweise
ist dieser Quantendetektor durch eine CCD-Kamera, insbesondere eine
Graustufen-CCD-Kamera, gebildet, welche dem Stand der Technik entsprechend
aufgebaut ist, also beispielsweise ein optisches System, d.h. eine
Anordnung zumindest einer optischen Linse, über die die einfallende Strahlung
auf die CCD-Kamera fokussiert wird, sowie einen oder mehrere CCD-Sensoren
umfasst. Selbstverständlich
kann das optische System für
sich eine vom Detektor, z.B. einem CCD-Chip, unabhängige Baugruppe
bilden.
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Es
können
auch andere Quantendetektoren 4 zum Einsatz kommen, beispielsweise
Farbvideokameras oder ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte
Vidicon-Kameras.
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Vorzugsweise
umfasst der Quantendetektor 4 zumindest ein Halbleiterbauelement,
basierend auf Silizium oder Germanium oder InGaAs oder gleichartigen
Werkstoffen, da diese, insbesondere Silizium, eine große Empfindlichkeit
im Infrarotbereich bzw. sehr nahen Infrarotbereich (VNIR) aufweisen.
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Der
Quantendetektor 4 ist über
der Eintrittsöffnung 3 derart
angeordnet, dass wiederum keine Streulichtbildung zwischen dem Quantendetektor 4 und
der Eintrittsöffnung 3 bzw.
dem optischen System und der Eintrittsöffnung 3 möglich ist.
Vorzugsweise weist die Eintrittsöffnung 3 einen
Durchmesser auf, der der Größe bzw.
dem Durchmesser eines Anschlussbereiches 5 des Quantendetektors 4 entspricht,
sodass also vorzugsweise der Anschlussbereich 5 direkt
von der Eintrittsöffnung 3 aufgenommen
wird. Bei größeren Durchmessern
der Eintrittsöffnung 3 ist
es auch möglich,
diverse Dichtelemente bzw. Adapter in dieser Eintrittsöffnung 3 anzuordnen, um
damit eine zumindest annähernd
lichtundurchlässige
Anbindung des Quantendetektors 4 in bzw. an der Eintrittsöffnung 3 in
einem Gehäuseboden 6 des Gehäuses 2 zu
ermöglichen.
Dies hat zudem den Vorteil, dass unterschiedlich große Quantendetektoren 4 in
das Gehäuse 2 einsetzbar
sind.
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In
Richtung auf das zu vermessende Objekt ist dem Quantendetektor 4,
beispielsweise dem optischen System einer Graustufen-CCD-Kamera,
ein erstes Filterelement 7 vorgeordnet.
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Gemäß der Ausbildung
der Erfindung nach 1 ist dieses Filterelement 7 auf
bzw. in einem Filterrad 8 angeordnet, wobei dieses Filterrad 8 auch weitere
Filterelemente 7 aufweisen kann. Obwohl in 1 nur
vier Filterelemente 7 dargestellt sind, ist es selbstverständlich möglich, eine
dazu unterschiedliche Anzahl an Filterelementen 7 anzuordnen.
Beispielsweise kann ausschließlich
das erste Filterelement 7 in der Vorrichtung 1 verwendet
werden.
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Das
Filterrad 8 bzw. generell das Filterelement 7 kann
vor oder nach der Eintrittsöffnung 3 vorgesehen
werden, also in oder außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet
werden.
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Es
ist weiters möglich,
dass das bzw. die Filterelemente) 7 – neben dem ersten Filterelement 7 kann,
wie dies weiter unten noch näher
ausgeführt wird,
noch zumindest ein weiteres Filterelement 7 vorhanden sein – auch einen
Bestandteil des Quantendetektors 4, also beispielsweise
der CCD-Kamera bildet und z.B. zwischen dem eigentlichen Detektor bzw.
der Detektionsfläche
und einer diesem bzw. dieser vorgeordneten Linse bzw. einem Linsensystem angeordnet
ist, wobei gegebenenfalls auch hier wiederum eine Austauschbarkeit
des Filterelementes 7, z.B. durch einfaches herausziehen
und einschieben eines anderen Filterelementes 7 möglich ist.
Bei mehreren Filterelementen 7 besteht darüber hinaus die
Möglichkeit
zumindest ein Filterelement im Quantendetektor 4 anzuordnen
und zumindest ein weiteres im Strahlengang außerhalb des Quantendetektors 4,
beispielsweise wiederum auf einem Filterrad 8.
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Prinzipiell
ist die Anordnung des Filterelementes 7 bzw. der Filterelemente 7 an
jeder geeigneten Stelle im Strahlengang zwischen dem zu vermessenden
Objekt und dem Detektor möglich.
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Die
Anordnung der Filterelemente 7 auf dem Filterrad 8 hat
den Vorteil, dass rasch und einfach zwischen unterschiedlichen Filterelementen 7 gewechselt
werden kann. Selbstverständlich
ist es aber auch möglich,
anstelle des Filterrades 8 andere Filterhalterungen, beispielsweise
Einschubhalterungen zur linearen Verschiebbarkeit des Filterelementes 7, zu
verwenden und die Filterelemente 7 händisch je nach Bedarf auszutauschen.
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Nach
der Ausführungsvariante
der Erfindung nach 1 ist dem Filterrad 8 ein
Sensorelement 9 zugeordnet und steht mit diesem in Wirkverbindung. Diese
Sensorelement 9 dient dazu, die relative Winkellage des
Filterrades 8 zur Eintrittsöffnung 3 zu erkennen
und wird es damit möglich,
die Filterelement 7 positionsgenau unter diese Eintrittsöffnung 3 zu verbringen.
Insbesondere ist dieses von Vorteil beim Einschalten der Vorrichtung 1,
da damit automatisch die richtige Position des Filterrades 8 angefahren wird.
Das Sensorelement 9 kann beispielsweise als Lichtschranke
ausgebildet sein. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
andere Sensorelemente 9 zu verwenden, die eine derartige
Funktion erlauben. Beispielsweise kann an dem Filterrad 8 am äußeren Umfang
eine Strichmarkierung angebracht sein die mechanisch oder optisch
abgetastet wird. Andere Sensorelemente 9 zur Erkennung
der Winkellage des Filterrades 8 sind aus dem Stand der
Technik bekannt und ebenfalls verwendbar.
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Um
das Filterrad 8 in die richtige Winkellage zu verbringen,
kann dieses mit einem Motor, insbesondere einem Schrittmotor 10,
leitungsverbunden sein. Dieser Schrittmotor 10 ist vorzugsweise
ebenfalls im Gehäuse 2 angeordnet,
kann aber selbstverständlich
auch außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet
werden. Letzteres hat den Vorteil, dass damit das Gehäuse 2 kleiner
dimensioniert werden kann und somit die Vorrichtung 1 auch
bei beengten Raumverhältnissen
Anwendung finden kann. Durch den Einbau des Schrittmotors 10 in
das Gehäuse 2 wird
der Vorrichtung 1 andererseits eine größere Kompaktheit verliehen.
Der Schrittmotor 10 kann mit dem Filterrad 8,
beispielsweise über
eine Welle 11, wirkungsverbunden sein.
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Andererseits
ist es möglich,
dass anstelle der direkten Leitungsverbindung zwischen dem Sensorelement 9 und
dem Schrittmotor 10 das Sensorelement 9 mit einer
Datenverarbeitungsanlage 12 leitungsverbunden ist und diese
Datenverarbeitungsanlage 12 die Steuerung des Motors für das Filterrad 8 übernimmt.
Dazu und zur Datenübertragung
vom Quantendetektor 4 kann im bzw. am Gehäuse 2 ein entsprechendes
elektrisches Anschlusselement 13, z.B. ein USB-Stecker,
vorhanden sein.
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Als
Datenverarbeitungsanlage 12 kann jeder herkömmliche
PC verwendet werden.
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Um
die Vorrichtung 1 an einem in 1 andeutungsweise
dargestellten Reaktor 14 lichtdicht anordnen zu können, ist
in Richtung auf den Reaktor 14 unterhalb des Filterrades 8 der
Ausführungsvariante
nach 1 ein Adapterelement 15 angeordnet, welches
beispielsweise im Bereich um eine Durchlassöffnung 16 für die vom
Messobjekt ausgesandte elektromagnetische Strahlung einen Rohrstutzen 17 aufweisen
kann, welcher in bzw. um einen entsprechenden Rohrstutzen 18 am
Reaktor 14 anordenbar ist. Dieser letztgenannte Rohrstutzen 18 kann
beispielsweise der Rohrstutzen 18 für ein am Reaktor vorhandenes
Schauglas sein. Zur besseren Einführbarkeit des Rohrstutzens 17 des
Adapterelementes 15 kann dieser zumindest geringfügig konisch
ausgebildet sein.
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Die
einzelnen Bauteile der Vorrichtung 1 sollten so miteinander
verbunden werden können,
dass kein die Messung störendes
Streulicht aus der Umgebung in das Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 eindringen
kann. Weiters ist es möglich,
dass das Adapterelement 15 den Boden des Gehäuses 2 bildet,
sodass u.U. auf den oben beschriebenen Gehäuseboden 6 verzichtet
werden kann. In diesem Fall entspricht die Eintrittsöffnung 3 der
Durchtrittsöffnung 16 im
Adapterelement 15.
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Durch
die bevorzugte Verwendung ausschließlich optischer Elemente – mit Ausnahme
des Quantendetektors 4, der – wie bereits erwähnt – vorzugsweise
einen Halbleitersensor aufweist – können nicht nur die Kosten für die Vorrichtung 1 in
Hinblick auf vergleichbare Pyrometer gesenkt werden, sondern wirkt
sich damit auch besagtes Schauglas des Reaktors 14 nicht
störend
auf die Messung aus – diese
sind normalerweise zumindest bis in den NIR-Bereich lichtdurchlässig, bzw.
können
ohne großen Kostenaufwand
entsprechend gewählt
werden -, sodass eine einfache Anschlussmöglichkeit der Vorrichtung 1 am
Reaktor 14 gegeben ist bzw. unter Umständen keine speziellen Vorkehrungen
am Reaktor hierzu getroffen werden müssen.
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Für den Einsatz
der Vorrichtung 1 zur Temperaturmessung weist das Filterelement 7 für elektromagnetische
Strahlung, die vom zu vermessenden Objekt aufgrund der erhöhten Temperatur
ausgesandt wird, eine Durchlässigkeit
auf, die vorzugsweise ausgewählt
ist aus einem Bereich, mit einer unteren Grenze von zumindest 600
nm und einer oberen Grenze von zumindest 750 nm. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit
kann die obere Grenze für
den durchgelassenen Wellenlängenbereich
bis auf 1100 nm bzw. 1200 nm bzw. 3 μm erweitert werden, ebenso ist
es möglich,
die untere Grenze zumindest bis in den Orangebereich des sichtbaren
Licht zu erweitern.
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Generell
sei an dieser Stelle bemerkt, dass die Erfindung die Verwendung
zumindest eines Filterelementes (7) betrifft, das eine
50% Transmission für
Wellenlängen
ab zumindest annähernd
500 nm oder bis zumindest annähernd
400 nm aufweist, wobei die Transmission für Wellenlängen ab 500 nm auf zumindest
annähernd
100% zunimmt oder von zumindest annähernd 100% bis zu 400 nm abnimmt. D.h.
mit anderen Worten, dass Filterelemente (7) ausgewählt werden,
die zumindest ab 500 nm eine bis zu zumindest annähernd 100%
Transmission aufweisen, bzw. bei den die Transmission von zumindest
annähernd
100% auf praktisch 0 abfällt,
wobei die 50% Transmission bei ca. 400 nm liegt, also die umgekehrte
Transmissivität
aufweisen als erstere Filterelemente 7. Die 50% Transmission
kann dabei z.B. bei einer Wellenlänge von 850 nm, 900 nm, 1000 nm,
1050 nm, 1100 nm oder 1200 nm liegen. Diese Filterelemente 7 sind
vorzugsweise als Kantenfilter ausgebildet, d.h. diese lassen Wellenlängen ab
bzw. bis zu ca. dieser Wellenlänge
durch. Speziell bei höheren
Temperaturen sind Filter mit einer Hochpass-Charakteristik, die
eine entsprechende Transmission bei niedrigeren Wellenlängen zeigen
und längere
Wellenlängen
blockieren, vorteilhaft. Damit steht eine Vorrichtung 1 zur
Verfügung,
die auch im VNIR-Bereich eine Verhältnisbildung ermöglicht. Derartige
Vorrichtungen sind derzeit nicht verfügbar, weil die spektralen Änderungen
für die
Auswertung bislang zu geringfügig
waren. Es ist jedoch u.a. durch die Verwendung von größeren Pixelbereichen
eine feinere Detektion und damit auch eine entsprechende Signalbearbeitung
möglich,
sollte dies erforderlich sein.
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Es
sei weiters angemerkt, dass für
Tieftemperaturmessungen im Sinne der Erfindung Wellenlängenbereiche
ausgewählt
aus einem Bereich zwischen 650 nm und 1200 nm (VNIR), und für die Messung
hoher Temperaturen Wellenlängenbereiche ausgewählt aus
einem Bereich zwischen 400 nm und 650 nm, sofern in diesem VIS-Bereich
keine Streulichtprobleme auftreten, vorteilhaft sind.
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Dieses
Filterelement 7 kann für
den gesamten Spektralbereich innerhalb der gewählten Grenzen durchlässig sein,
wodurch bei Verwendung eine Silizium-CCD-Chips, dessen Empfindlichkeit
besser ausgenutzt werden kann und kann somit durch die Erfassung
des vom Objekt ausgesandten Spektrums bestehend aus sichtbaren Licht,
d.h. des Rotanteils, sowie durch die gleichzeitige Erfassung des
Infrarotbereichs, insbesondere des NIR-Bereichs (Nahes Infrarot),
die Messung tiefer Temperaturen im Sinne der Erfindung, d.h. Temperaturen
bis zu einer unteren Grenze von ca. 200°C durchgeführt werden. Gegebenenfalls
kann die Ausdehnung des zu vermessenden bzw. des vom ersten Filterelement 7 durchgelassenen
Spektralbereichs auf den mittleren Infrarotbereich (3 μm bis 6 μm) bzw. den
Ferninfrarotbereich (6 μm
bis 15 μm)
eine Verbesserung der Genauigkeit des Messergebnisses ermöglichen.
Es wird damit ein vorzeitiges Abschneiden von langwelligen Signalen durch
das Filter vermieden.
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Dieser
Umstand, dass in Abkehr der üblichen Vorgangsweise,
nämlich
Erhöhung
der Genauigkeit eines Messergebnisses durch weitere Eingrenzung des
zu messenden Spektralbereichs bis in Richtung auf monochromatische
Strahlung, und durch die Verwendung eines Filterelementes 7,
welches für
einen sehr breiten Spektralbereich durchlässig ist, ist für einen
auf diesem Gebiet tätigen
Fachmann überraschend.
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Zum
Unterschied zum Stand der Technik werden bei der Erfindung somit
keine Filterelemente als erstes Filterelement 7 eingesetzt,
welche eine schmalbandige Bandpasscharakteristik aufweisen. Vielmehr
können
als Filterelemente 7 so genannte Kantenfilter verwendet
werden.
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Alternativ
hierzu können
auch Filterelemente 7, die als Interferenzfilter ausgebildet
sind, verwendet werden.
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Wie
bereits oben erwähnt,
ist es möglich, dass
ein weiteres Filterelement 7 angeordnet ist, insbesondere
am Filterrad 8, um damit eine Messung der von dem zu messenden
Objekt ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei einem anderen Wellenlängenbereich
zu ermöglichen.
Vorzugsweise wird hierzu ein Filterelement 7 ausgewählt, welches für Wellenlängen aus
dem Grünbereich
des sichtbaren Lichtes durchlässig
ist.
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Die
Filterelemente 7 können
als Farbfilter ausgebildet sein. Hierzu ist es möglich, dass erste Filterelement 7 als „Rotfilter" und das weitere
Filterelement als „Grünfilter" auszubilden, wobei „Rotfilter" und „Grünfilter" in Sinne der Erfindung
bedeuten, dass diese Filter für
diesen Farbbereich durchlässig sind
(Rotfilter einschließlich
des Infrarotbereiches, wie oben ausgeführt). Es ist also der in Folge
bezeichnete „Grünfilter" keineswegs grün sowie
der „Rotfilter" nicht rot. Diese
Bezeichnung wird jedoch zur besseren Unterscheidung im folgenden
fortgeführt.
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Der
Sinn des so genannten „Grünfilters" ist grundsätzlich eine
Aufnahme der Szene in einem anderen Spektralbereich als jenem des „Rotfilters". Es ist also auch
möglich,
anstelle des „Grünfilters" ein Filter zu verwenden,
welches in einem zu genanntem „Grünfilter" verschiedenen Spektralbereich
durchlässig
ist. Die beiden Spektralbereiche sollen jedoch idealerweise nicht überlappen,
um die Genauigkeit der Temperaturmessung in Bezug auf eine weitgehende Emissionsfaktorunabhängigkeit
zu erhöhen.
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Das
weitere Filterelement 7 („Grünfilter") kann hinsichtlich seiner Durchlässigkeit
für bestimmte
Wellenlängen
prinzipiell beliebig gewählt
werden, d.h. solange dieser nicht oder nur wenig mit dem „Rotfilter" überlappt. Bei der Verwendung
von Kantenfiltern, die z.B. eine hohe Transmissivität in hohen Längenwellenbereichen
aufweisen kann naturgemäß eine Spektralbereichsüberlappung
nicht ausgeschlossen werden. Es sollte jedoch der Abstand der durchgelassenen
Wellenlängenbereiche
im unteren Durchlässigkeitssegment
genügend
groß sein,
also z.B. bei einer 50%-igen Durchlässigkeit eine erste Messwellenlänge des
ersten Filters z.B. im Bereich von 850 nm und eine zweite Messwellenlänge des zweiten
Filters z.B. im Bereich von 950 nm liegen, wobei die angegebenen
Werte für
die Wellenlängen nicht einschränkend zu
verstehen sind, sondern lediglich erklärender Natur sind.
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Um
diese Trennung idealerweise zu bewerkstelligen, ist es beispielsweise
möglich,
den Grünfilter so
zu wählen,
dass dieser das Licht z.B. erst unterhalb von 550 nm durchlässt. Von
Vorteil ist es allerdings, wenn die beiden Spektralbereiche so gewählt werden,
dass ausreichend Photonen mit so hoher Energie emittiert werden,
dass eine sichere und reproduzierbare Signalerfassung möglich ist.
Dazu kann nun der „Grünfilter" so gewählt werden,
dass dessen Lichtdurchlässigkeit
etwas weiter in den längerwelligen
(roten bzw. NIR) Bereich verlagert wird, wobei vorzugsweise darauf
geachtet werden sollte, dass keine vollständige Überlappung mit dem eigentlichen „Rotfilter" auftritt. Eine gewisse Überlappung der
Spektralbereiche ist jedoch zulässig,
wenn eine Trennung der Signale der beiden Spektralbereiche möglich ist.
Es wird damit möglich,
eine weitgehende emissionsfaktorunabhängige Messung bereits bei viel
niedrigeren Temperaturen – im
Vergleich zu Pyrometern, welche aus dem Stand der Technik bekannt
sind – durchzuführen.
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Generell
ist hinsichtlich der Filtercharakteristik der Filterelemente 7 anzuführen, dass
diese – als Kantenfilter
ausgeführt – ab einem
bestimmten Wellenlängenbereich
bzw. bis zu einem bestimmten Wellenlängenbereich eine zumindest
annähernd 100%-ige
Lichtdurchlässigkeit
aufweisen können bzw.
sind auch Mischformen möglich,
indem ein erstes Filterelement 7 bis zu einem Wellenlängenbereich
und ein zweites bzw. weiteres Filterelement 7 ab einem
bestimmten Wellenlängenbereich
eine zumindest annähernd
100%-ige Lichtdurchlässigkeit aufweist.
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Eine
weitere Senkung der unteren Temperaturempfindlichkeitsgrenze kann
folglich dadurch erreicht werden, dass die beiden Filterelemente 7 derart
gewählt
werden, dass deren Durchlässigkeit
für elektromagnetische
Strahlung weiter in den langwelligen Bereich verschoben wird. Dies
ist allerdings auch vom verwendeten Quantendetektor 4 abhängig, d.h.
dessen Empfindlichkeit für
einfallende Photonen, also beispielsweise bei Verwendung von Silizium CCD-Chips
bis etwa 1100 nm bzw. etwa 1700 nm für InGaAs CCD-Chips. Neuere
Fertigungstechniken für derartige
Chips ermöglichen
eine noch weitere Verschiebung in den längerwelligen Spektralbereich,
da bei diesen Quantendetektoren 4 die Quanteneffizienz
größer ist.
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Nach
einer Ausführungsvariante
der Erfindung kann als „Rotfilter" ein Kantenfilter
mit etwa 900 nm Halbwerts-Wellenlänge eingesetzt werden. Damit werden
unterhalb dieser Wellenlänge
keine (oder kaum) Photonen registriert. Ab dieser Wellenlänge, z.B.
bis 1100 nm stehen andererseits noch genügend Photonen zur Messung zur
Verfügung.
Für das
weitere Filterelement 7, d.h. das „Grünfilter" kann ein Kantenfilter mit einer Halbwerts-Wellenlänge von etwa
750 nm verwendet werden. Damit ist eine klare Abgrenzung zum „Rotfilter" möglich und
ist zudem diese Filteranordnung relativ kostengünstig. Die Tatsache, dass dieser
Filter dann das gesamte sichtbare Spektrum „unterhalb" (also hin zu höheren Energien) durchlässt ist
bei den zu messenden niedrigen Temperaturen vernachlässigbar,
da bei den diesen Temperaturen der Anteil an hochfrequenten kurzwelligen Photonen
praktisch null ist.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass der erste Spektralbereich nach oben (d.h.
zu höheren
Wellenlängen)
durch das verwendete Detektormaterial des Quantendetektors 4 begrenzt
wird und nach unten durch die Kantencharakteristik des „Rotfilters". Der zweite Spektralbereich
(der vorteilhafterweise so weit wie möglich im langwelligen Bereich
liegen sollte, (siehe oben) ohne gleichzeitig mit dem ersten Spektralbereich
zu überlagern,
wird nach oben begrenzt durch die Kantencharakteristik des „Grünfilters" und nach unten einfach
dadurch, dass bei den betrachteten Temperaturen praktisch keine kurzwelligen
Photonen auftreten.
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Mit
oben genannter Filterkonfiguration wurden Versuche durchgeführt und
konnte dabei festgestellt werden, dass Temperaturen ab ca. 220°C im „Rotkanal" gemessen werden
können
(mit einer Varianz von etwa 5–10°C, die dann
mit steigender Temperatur schnell kleiner wird und ab etwa 280°C unter 1°C fällt). Dazu
ist in 2 der zeitliche Verlauf der Signalstärken ("Rotkanal" und "Grünkanal") bei verschiedenen
Objekttemperaturen an einem schwarzer Körper ohne Korrektur des Dunkelstroms
dargestellt. Man sieht den parallelen Anstieg beider Signale aufgrund
der Eigenerwärmung
der Kamera. Die zu messenden Temperaturen am Temperaturstrahler
betragen jeweils 190°C,
220°C und
250°C. Ab
ca. 220°C beginnt
der „Rotkanal" sich eindeutig vom
Dunkelstrom-Signal zu lösen,
d.h. ab dieser Objekttemperatur kann eine direkte Messung beginnen,
jedoch noch ohne Verhältnisbildung,
da im „Grünkanal" noch kein Licht-Signal
vorhanden ist. Eine emissionsfaktorunabhängige Messung durch Verhältnisbildung
kann mit dieser „Grünfiltercharakteristik" ab ca. 300°C durchgeführt werden.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Messgenauigkeit ist es von Vorteil, wenn über den einzelnen CCD-Sensoren
der CCD-Kamera so genannte Mikrolinsen angeordnet sind, welche für den NIR-Bereich
optimiert sind. Derartige CCD-Kameras werden z.B. von der Fa. SONY
angeboten.
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Durch
die Verwendung eines zweiten Filterelementes 7 ist es möglich, anschließend eine
Quotientenbildung zwischen den erhaltenen Signalen durchzuführen, wodurch
die Temperaturmessung weitgehend unabhängig von Emissionsfaktoren
wird. Damit kann auch das relativ schwache vom Messobjekt ausgesandte
Licht bei niedrigen Temperaturen mit hinreichender Genauigkeit ausgewertet
werden.
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Da üblicherweise
Pyrometer auf den so genannten idealen schwarzen Strahler geeicht
sind und diese in der Praxis praktisch nicht auftreten, ist beim so
genannten grauen Strahler die Emission um einen konstanten Proportionalitätsfaktor
kleiner als bei einem schwarzen Strahler. Um diese Fehlermöglichkeit
auszuschließen,
kann die Messung bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgen und durch
Quotientenbildung dieser Emissionsfaktor, wie oben beschrieben,
ausgeschlossen werden, wodurch das Messergebnis genauer wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird gesteuert über
den Schrittmotor und das Sensorelement 9, das Filterrad 8 in
eine erste Position verbracht, in der das erste Filterelement 7,
welches durchlässig
ist für
Rotstrahlung im Sinne der Erfindung, unterhalb der Eintrittsöffnung 3 des
Gehäuses 1 und
oberhalb der Durchlassöffnung 16 des
Adapterelementes 15 liegt. Danach wird die vom zu vermessenden
Objekt ausgesandte elektromagnetische Strahlung über das optische System des
Quantendetektors 4, insbesondere der Graustufen-CCD-Kamera,
den CCD-Sensoren zugeführt,
dort in elektrische Signale umgewandelt und diese der Datenverarbeitungsanlage 12 übergeben.
Vorzugsweise wird dabei nicht nur ein Bild des Messobjektes aufgenommen, sondern
mehrere hintereinander, beispielsweise 25 bis 30 Bilder pro Sekunde.
Die einzelnen Signale werden addiert, wodurch das so genannte Untergrundrauschen
verringert werden kann.
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Danach
wird das Filterrad 8, wiederum vorzugsweise gesteuert über das
Sensorelement 9, in eine zweite Position verbracht, in
der nunmehr das zweite Filterelement 7, also beispielsweise
das Grünfilter
im Sinne der Erfindung, im Bereich der besagten Öffnungen liegt und wird bei
diesen zweiten Längenwellenbereich
wiederum die elektromagnetische Strahlung vom Quantendetektor 4 in
elektrische Signale umgewandelt und diese Signale ebenfalls der Datenverarbeitungsanlage 12 übergeben.
Wiederum ist es dabei von Vorteil, mehrere Bilder, beispielsweise
25 bis 30 Bilder pro Sekunde, aus genanntem Grund hintereinander
aufzunehmen.
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Aus
diesen Signalen wird in der Folge den der CCD-Kamera entsprechenden
Pixeln, der Quotient aus den Signalen von den unterschiedlichen
Wellenlängen
für jedes
Pixel gebildet und damit auf die Temperatur des Messobjektes, gegebenenfalls
unter Verwendung von Kalibrierkurven, rückgeschlossen. Es können dabei
Bildverarbeitungsalgorithmen, welche in der Datenverarbeitungsanlage 12 hinterlegt sind,
Anwendung finden.
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Diese
Bildverarbeitungsalgorithmen können als
vorteilhaft dazu verwendet werden, um eine räumliche und/oder zeitliche
Mittelung der erfassten Signale zu ermöglichen um damit das elektronische Rauschen
auszuschalten bzw. zumindest deren Beeinflussung des Messergebnisses
herabzusetzen.
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Zum
Unterschied zu herkömmlichen
Pyrometern dieser Art können
mit der Vorrichtung 1 nicht nur punktuell Messwerte erhalten
werden, sondern können
2-dimensionale Bildaufnahmen erfolgen.
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Zur
weiteren Steigerung der Messgenauigkeit ist es möglich, neben dem „Rotsignal" und „Grünsignal" im Sinne der Erfindung
gleichzeitig durch Messung des Dunkelstromsignals, d.h. Intensität des Signals
ohne Belichtung des Quantendetektors, insbesondere der CCD-Kamera unter vollständiger Dunkelheit,
eine Korrektur dieser Werte durchzuführen, sodass der resultierende
Verhältniswert
der beiden Signale ausschließlich
von den Lichtsignalen des zu messenden Objektes herrühren.
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Nach
dem Aufnahmeprozess stehen nach der erfindungsgemäßen Methode
zur Temperaturmessung zwei gemittelte Spektralbilder und ein gemitteltes
Dunkelbild für
die Auswertung zur Verfügung.
Das Dunkelbild dient zur Korrektur der Spektralbilder – d.h. nach
Subtraktion des Dunkelbildes von beiden Spektralbildern bleiben
nur durch einfallende Photonen hervorgerufene Signalteile übrig. Durch
diesen periodischen Korrekturprozess, wird unabhängig vom momentanen Betrieb-
bzw. Erwärmungszustand
der Kamera sichergestellt, dass z.B.
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örtliche
Inhomogenitäten
des Offset-Levels (bedingt durch ungleichmäßige Erwärmung des CCD-Chips) korrigiert
werden.
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Des
weiteren ist eine Bildverbesserung durch Anwendung der Bildmittelung,
d.h. zeitliche Mittelung in Einzelaufnahmen, möglich, wodurch das Bildrauschen
reduziert und eine Verbesserung der Graustufenauflösung erreicht
werden kann. Insbesondere kann durch entsprechende Bildverarbeitungsfiltertechniken
das Restrauschen, hervorgerufen von den Photonen (das so genannte
Poisson-verteilte Photonenrauschen), reduziert, um so eine Verbesserung
der örtlichen
Temperaturauflösung
erzielt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, die Genauigkeit des
Messergebnisses weiter zu steigern, indem der so genannte Fokusdifferenz-Fehler
berücksichtigt
wird. Aufgrund der Tatsache, dass die Lichtbrechung wellenlängenabhängig ist
(Dispersion), ist das aufgenommene Bild entweder im „Grünbereich" oder im „Rotbereich" scharf. Wenn man
eine scharfe Abbildung durch den „Grünfilter" will, muss man zuerst die Optik einstellen – d.h. der
Abstand zw. Linse und Quantendetektor 4 muss so eingestellt
sein, dass alle „grünen" Lichtstrahlen auf
die Detektorebene fokussieren (praktisch heißt das, man muss am Objektiv „drehen", bis das Bild scharf
ist). Die „gefundene" Einstellung gilt
aber infolge der Dispersion für „rotes" Licht nicht mehr
exakt. Die Folge ist, dass die „grüne" Aufnahme scharf ist, die „rote" Aufnahme hingegen
verschwommen. Wie bei allen gängigen
(nicht-militärischen)
Standard-Infrarot-Kameras, spielt die Auflösung zurzeit noch eine untergeordnete
Rolle (ca. 320 × 240
Pixel bei ungekühlten
Mikrobolometern). Bei diesen Auflösungen spielt der Fokusdifferenzfehler
ebenfalls eine eher untergeordnete Rolle. Möchte man aber die volle Auflösung einer
CCD-Kamera (800 × 600
Pixel bzw. 1000 × 1200
Pixel und darüber)
ausnützen – besonders
im Hinblick auf Visualisierung von Prozessvorgängen, wo Bildauflösung eine
entscheidende Rolle spielt – ist
es von Vorteil, wenn dieser Fehler korrigiert wird.
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Dies
kann durch ein insbesondere automatisches Verstellen der Optik (Brennebene),
z.B. mittels Schrittmotor erfolgen, so dass für den jeweils zum Einsatz kommenden
Filterelement 7, die entsprechende Objektiveinstellung
vor der Aufnahme angefahren wird und somit durch jedes Spektralfenster eine „scharfe" Aufnahme erfolgt.
Dazu kann wiederum der Schrittmotor 10 bzw. das Sensorelement 9 des
Filterrades 8 herangezogen werden, indem über diese
Bauelemente das jeweils gerade verwendete Filterelement 7 bestimmt
wird und in der Folge z.B. über
die Datenverarbeitungsanlage 12 der Schrittmotor für die Objektiveinstellung
angesteuert und so das Bild scharf gestellt wird. Entsprechende
Einstellungswerte hierfür
können
in der Datenverarbeitungsanlage 12 hinterlegt sein bzw.
können
nach einmaliger manueller Einstellung, vorzugsweise automatisch,
in dieser gespeichert werden. Es ist aber auch möglich, das die Einstellungswerte
bereits im (Schritt)Motor bzw. der Verstelleinrichtung für die Objektiveinstellung
hinterlegt sind und über
ein entsprechendes Signal entweder vom Sensorelement 9 bzw.
dem Schrittmotor 10 des Filterrades 8 oder von
der Datenverarbeitungsanlage 12 an die Verstellvorrichtung des
Objektives der Einstellvorgang automatisch ausgelöst wird.
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Alternativ
dazu ist es möglich
eine oder mehrere individuelle Korrekturlinsen bzw. Linsen-Kombinationen zu
verwenden, die zwischen dem jeweiligen Filterelement und dem Objektiv
positioniert wird bzw. werden. Dazu können z.B. diese Linsen bereits
auf dem jeweiligen Filterelement 7 angeordnet sein, sodass
bereits mit dem Verfahren des Filterrades 8 die jeweils
richtige Korrekturlinse in den Strahlengang des optischen Systems
der Vorrichtung 1 verbracht wird. Denkbar sind hierbei
auch Varianten, bei denen diese Linsen wiederum über gesonderte Verstelleinrichtungen,
z.B. mit einem Motor, in den Strahlengang eingeführt werden, beispielsweise – wie oben beschrieben – ebenfalls
gesteuert über
die Datenverarbeitungsanlage 12 bzw. das Sensorelement 9 oder den
Schrittmotor 10, mit welchen das jeweils verwendete Filterelement 7 anhand
der Stellung des Filterrades erkannt werden kann.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
temperaturabhängige
Prozesse nachzuverfolgen und gegebenenfalls zu steuern. Beispielsweise kann
durch die Erstellung einer Emissionskarte auf andere Prozessgrößen rückgeschlossen
werden, wie z.B. den Nitrierzustand beim Härten von Metallen. Ebenso können Beschichtungsvorgänge an sich oder
generell andere thermische oder thermochemische Prozesse, wie beispielsweise
Schweiß-
und Lötvorgänge, z.B.
Plasmaschweißen,
mitverfolgt und gegebenenfalls gesteuert werden.
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Anstelle
des „Grünfilters" im Sinne der Erfindung
ist es möglich,
andere Spektralbereiche aus dem sichtbaren Licht zu verwenden.
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Zur
Messung kann einerseits das gesamte Messobjekt herangezogen werden,
ebenso ist es möglich,
eine definierte Fläche
des Messobjektes zu betrachten. Die Größe der Fläche kann dabei derart ausgewählt sein,
dass diese einer Pixelanzahl im Quantendetektor 4 entspricht,
die ausgewählt
ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1000 bzw. 3000
Pixel und einer oberen Grenze von 7000 Pixel. Dieser Messbereich
kann eingeschränkt
werden auf einen Bereich mit einer unteren Grenze von 4000 Pixel
und einer oberen Grenze von 6000 Pixel bzw. kann die Fläche eine
Größe aufweisen,
die 5000 Pixel im Quantendetektor 4 entspricht. Bei Verwendung
von 5000 Pixel können
beispielsweise Temperaturen ab ca. 220°C gemessen werden, mit einer Auflösung von
ca. 1°C
für das
direkte Intensitätssignal
im „Rotkanal" im Sinne der Erfindung.
Die Quotientenpyrometrie lieferte bei durchgeführte Versuchen ausreichend
genaue Temperaturwerte ab ca. 350°C.
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Die
angeführten
Zahlen für
die notwendigen Pixelzahlen stellen lediglich vorteilhafte Bereiche
dar. Zur Messung kann auch ein einzelnes Pixel herangezogen werden,
wobei allerdings eine größere Unsicherheit
bzgl. des gemessenen Signalwert auftreten kann. Aus diesem Grund
ist es vorteilhaft, wenn ein „Mittelwert" von mehreren benachbarten
Pixel berechnet wird (vorausgesetzt, der betrachtete Bildbereich
ist gleich „hell" bzw. hat die gleiche
Temperatur). Das Wählen
dieses Bildbereiches erfolgt manuell (ob dieser Bereich dann tatsächlich statistisch „gleich hell" ist, kann durch
Bildverarbeitungsanalysemethoden wie z.B. einer Histogramm-Analyse
automatisch geklärt
werden). Zusätzlich
kann noch zeitlich gemittelt werden (d.h. durch Bildaddition und
Normierung).
-
Die
jeweils vorteilhafte Pixelanzahl kann mittels einfacher Rausch-Charakterisierung
für den
verwendeten Quantendetektor 4 bestimmt werden.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip basiert auf dem Strahlengesetz
von Planck. Dieses beschreibt die Strahlungsleistung eines schwarzen
Strahlers, als Funktion von Temperatur und Wellenlänge. Mit
höherer
Temperatur wächst
die abgestrahlte Leistung und das Maximum der Wellenlänge verschiebt
sich zu kürzen
Wellenlängen.
Die Lage des Maximums bestimmt sich dabei entsprechend dem Verschiebungsgesetz
von Wien. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich also der Anteil kurzwelliger
Strahlung. Man kann demnach den Farbeindruck der Gesamtstrahlung
als Maß für die Temperatur
verwenden.
-
Diese
Gesetzmäßigkeiten
sind hinlänglich bekannt
und beispielsweise auch in den eingangs erwähnten Fachartikeln ausreichend
dokumentiert, sodass daher auf diese Publikationen bzw. die einschlägige Fachliteratur
hierzu verwiesen sei.
-
Neben
der berührungslosen
Temperaturmessung ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiters möglich, so
genannte Emissivitäts-Karte eines
Oberflächenbereiches
eines Objektes bei erhöhter
Temperatur zu erstellen. Dieser Messtechnik liegt ebenfalls die
Plank'sche Strahlungsformel
zugrunde:
-
Diese
Plank'sche Strahlungsformel
gilt für
einen ideal schwarzen Strahler, der eben ist und den gesamten, davor
liegenden Halbraum ausstrahlt.
-
Ein
realer Körper,
wie z.B. Metalle bzw. metallische Oberflächen, zeigen jedoch nicht das
Verhalten des ideal schwarzen Strahlers. Um die Emissionseigenschaften
realer Körper
zu charakterisieren, wird der Emissionsgrad ε als das Verhältnis der tatsächlichen
zur theoretisch maximalen spezifischen Ausstrahlung definiert:
-
Gemäß letztgenannter
Formel haben definitionsgemäß ideal
schwarze Körper,
also ein Emissionsverhältnis ε = 1. Dementsprechend
niedriger, da die Abstrahlungsintensität realer Körper kleiner ist als die theoretische
Abstrahlungsintensität
sind die ε-Werte
realer Werte kleiner als 1.
-
Für zu vermessende
Oberflächen
ergibt sich daraus die Problematik, dass der Emissionsfaktor im allgemeinen
nicht zugänglich
ist, da verschiedene Oberflächen
u.U. eine besonders stark ausgeprägte Abhängigkeit des Emissionsgrades
von der Oberflächenrauhigkeit
zeigen, d.h. je rauer eine Oberfläche, umso größer ist
der Emissionsgrad. Oxidschichten beispielsweise erhöhen die
Emissivität
stark, blanke Metalle hingegen neigen zu einer ausgeprägten Winkelabhängigkeit
des Emissionsgrades. Bewitterung, Alterung der Oberfläche, Oxidation,
Ablagerungen und Verschmutzungen beeinflussen des Emissionsgrad
ebenso stark. Darüber hinaus
nimmt der Emissionsgrad vieler Metalle bei steigender Wellenlänge ab.
Zusammengefasst kann also festgehalten werden, dass Metalle aus
diesen Gründen
pyrometrisch nur schwer zu bewerten und oft mit großen Messfehlern
behaftet sind.
-
Im
Rahmen von Wärmebehandlungs-
bzw. Oberflächenbehandlungsprozessen, ändert sich
der Emissionsfaktor entsprechend des Oberflächenzustandes. Aus dem Emissionsfaktor
bzw. seiner örtlichen
Verteilung können
wesentliche Informationen über
den aktuellen Prozessverlauf gewonnen werden. Diese Informationen
können
zur Prozesssteuerung, -regelung oder zur Qualitätssicherung verwendet werden.
-
Um
diese Informationen der Prozesssteuerung bzw. -regelung zugrunde
zu legen, werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die direkten
Abstrahlungsintensitäten
bestimmt. Diese sind aufgrund unterschiedlicher Emissivität jedoch
bei verschiedenen Oberflächen
unterschiedlich intensiv – obwohl z.B.
die Oberflächen
physikalisch die gleiche Temperatur haben. Diese Intensitäten werden
nun mit den eigentlich zu erwarteten Intensitäten der „wahren" Temperaturen verglichen und die sich
daraus ergebenden Differenzen, welche durch die Emissionsfaktoren
bedingt sind, in jedem Punkt der Bildmatrix dargestellt bzw. der
zeitliche Verlauf der Emissivität
während
eines Behandlungsprozesses einer metallischen Oberfläche festgehalten.
-
Die „wahre" Temperatur der Oberfläche wird ebenfalls
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bestimmt
und zwar durch die Verhältnisbildung
von Strahlungsintensitäten
bei zumindest zwei verschiedenen Spektralbereichen, wobei diese
Spektralbereiche über
die Filterelemente 7 ausgewählt werden können. Durch
die Verhältnisbildung
in jedem einzelnen Pixel ist es also möglich, die Unbekannte „Emissionsfaktor" zumindest soweit
auszuschalten, dass das Ergebnis der gemessenen Temperatur innerhalb der
gewünschten
Messtoleranzen liegt.
-
Es
ist aber selbstverständlich
auch möglich, anstelle
dieser berührungslosen
Temperaturmessung oder zusätzlich
dazu, andere Messmethoden für
die Temperatur heranzuziehen, beispielsweise die Temperatur mit
zumindest einem Thermoelement oder einem Seger-Kegel zu bestimmen.
-
Es
ist auch möglich,
Messungen an Vergleichskörpern
durchzuführen,
die sich wie ideal schwarze Körper
verhalten. So kann z.B. in einen massiven Probekörper eine Bohrung eingebracht werden,
wobei sich diese Bohrung wie ein ideal schwarzer Strahler verhält. Denkbar
ist es auch, eine Oberfläche
an dem zu behandelnden Körper
bzw. Objekt auszuwählen,
welche nicht dem Behandlungsprozess unterliegt und die ein definiertes
Abstrahlungsverhalten aufweist, welches bekannt ist.
-
Um
eine eventuell auftretende die Nichtlinearität des Intensitätsverlaufes
für zeitlich
und/oder örtlich
getrennte Aufnahmen besser berücksichtigen zu
können,
wird in einer Ausführungsvariante
der Erfindung eine so genannte Driftkorrektur durchgeführt. Dieses
Verfahren ist in 3 dargestellt. Es ist darin der
Verlauf der Intensität
I über
die Zeit t für
zwei Filterelement 7 in Form von Kurven 19, 20 aufgetragen.
-
Bei
nicht zeitgleicher Messung der Intensitäten beider Filterelemente 7 – diese
ist selbstverständlich
möglich – wird zu
einem Zeitpunkt 21 die Intensität des ersten Filterelementes 7 (Kurve 19)
gemessen. Danach erfolgt ein Austausch der Filterelemente 7,
beispielsweise durch Verfahren des Filterrades 8 bzw. durch
Umschaltung auf einen zweiten Kanal des Quantendetektors 4,
und wird zu einem Zeitpunkt 22 die Intensität des zweiten
Filterelementes 7 (Kurve 20) gemessen. Theoretisch
müsste
diese Intensität für die Verhältnisbildung
beider Signale allerdings bereits zum Zeitpunkt 21 gemessen
werden. Es entsteht durch diese Verfahrensweise eine gewisse Unschärfe des
Messergebnisses. Nach erneuter Umstellung der Filterelemente 7,
indem das erste Filterelement 7 wieder in den Strahlengang
verbracht wird, wird zu einem Zeitpunkt 23 wiederum die
durchgelassene Intensität
dieses Filterelements erfasst. Um nun die Verhältnisbildung der Signale zum
Zeitpunkt 22 zu ermöglichen,
wird die Strecke zwischen der Kurve 19 zwischen den Messpunkten
zu den Zeitpunkten 21 und 23 interpoliert und
damit rechnerisch zumindest annähernd
die Intensität
des ersten Filterelements 7 zum Zeitpunkt 22 ermittelt.
Es ist damit also eine Steigerung der Genauigkeit der Verhältnismethode
möglich.
-
Nach
einer weiteren Ausführungsvariante der
Erfindung ist eine Steigerung der Genauigkeit der gemessenen Temperatur
dadurch zu erreichen, dass die Emissivität ε mit einem zusätzlichen
dritten Filterelement 7 bestimmt wird.
-
Wie
bereits erwähnt,
weisen schwarze Strahler einen Emissionskoeffizienten ε von 1 auf, der das
Idealverhalten der Abstrahlungscharakteristik eines Körpers darstellt.
Etwas realer wird das Emissionsverhalten eines grauen Körpers (Graukörperhypothese),
bei dem ein Emissionskoeffizient kleiner 1 berücksichtigt
wird. Dabei ist jedoch der Emissionskoeffizient über für alle Wellenlängen gleich (ähnlich zum
schwarzen Strahler). Hochglanzpolierte Metalle zeigen jedoch u.U.
eine deutliche Abweichung von diesem Verhalten, indem z.B. der Emissionskoeffizient
mit zunehmender Wellenlänge
abnimmt. Mit der Verhältnisbildungsmethode
werden folglich verfälschte
Messwerte bestimmt. Mithilfe eines dritten Filterelementes ist es
nun möglich,
die Steigung dieses Verlaufes über
die Messung in einem dritten Spektralbereich und Verhältnisbildung zwischen
je zwei Messwerten zu bestimmen und damit einen korrigierten, genaueren
Temperaturwert zu erhalten.
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Es
ist weiters möglich
die Belichtungszeiten zu variieren um damit die gemessenen Intensitäten der
einzelnen Kanäle
zu variieren.
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Die
so gewonnenen zweidimensionalen Daten der Emissivitäts-Verteilung
bzw. der zeitliche Verlauf dieser Werte kann erfindungsgemäß dazu verwendet
werden, um Oberflächenzustände während eines
Oberflächenbehandlungsprozesses
mit der Änderung
der Emissivität
(aufgrund der zu erwartenden Oberflächenmodifikation) zu korellieren.
Bei derartigen Oberflächenmodifikationen
stellt häufig
ein Problem das Auftreten von so genannten Inhomogenitäten dar.
Die erfindungsgemäße Messmethodik kann
dazu verwendet werden, um solche Inhomogenitäten schon während des Prozesses, also in-situ, zu
erkennen und somit auf eventuelle Ursachen rückzuschließen, sodass regelnd in den
Prozessablauf eingegriffen werden kann und damit in der Folge bestenfalls
vermieden werden kann, Ausschussware zu produzieren.
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Des
Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Aussagen über Schichtdicken,
beispielsweise bei einem Nitrierprozess, zu treffen, da sich die
spektralen Abstrahlungserscheinungen mit der Oberflächenmodifikation
in charakteristischer Weise ändern.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann beispielsweise für
die Überwachung
von Oberflächenaktivierungen,
welche z.B. vor Beschichtungsprozessen durchgeführt werden, verwendet werden,
beispielsweise um die Verringerung von Verunreinigungen, Oxidschichten
bzw. generell die Veränderung der
Aufrauung der Oberfläche
zu überwachen.
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Daneben
ist es möglich,
auch beschichtungs- oder thermochemische Wärmebehandlungsprozesse mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren nachzuverfolgen.
Beispielweise können
Nitrierprozesse, Nukleationsprozesse, Verbindungsschichten, ebenso
wie ein verbindungsschichtfreies Nitrieren, z.B. in Plasmaöfen, aber
auch Aufkohlungsprozesse, d.h. die Oberflächenbelegung durch Kohlenstoff,
das angehende Verrußen,
etc., Oxidationsprozesse, beispielsweise die Erzeugung von Magnetschichten, oder
aber auch das Beschichten generell, d.h. die Erzeugung von Verschleiß-, Gleit-
oder Korrosionsschutzschichten überwacht
werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist eine
großflächige Temperaturmessung
möglich,
wobei die Vorrichtung 1 im Vergleich zu herkömmlichen IR-Pyrometern
deutlich kostengünstiger
ist, und darüber
hinaus auch genauere Temperaturmesswerte, auch bei „tiefen" Temperaturen – im Sinne
der Erfindung – liefert.
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Besonders
vorteilhaft ist die großflächige Temperaturmessung
beim Einsatz der Vorrichtung 1 in Stahlwerken. Dabei kann
z.B. das so genannte „hot
cracking" bereits
frühzeitig
durch die Änderung des
Temperaturbildes erkannt werden. Durch das multispektrale Imaging
mit einer CCD-Kamera ist z.B. auch die Visualisierung von spektralen Änderungen von
Strukturen möglich,
wodurch die Vorrichtung 1 vielseitig einsetzbar ist, wenn
Oberflächenabstrahlungen
beobachtet werden sollen.
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Abschließend sei
angemerkt, dass durch die richtige Kombination der Filterelemente 7 und
der entsprechenden Belichtungszeiten sich in den verschiedenen Spektralbereichen
optimale Signalintensitäten
erzielen lassen, die weder zu niedrig noch zu intensiv sind, und
damit Sättigungserscheinungen durch Überbelichtung
zeigen.
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Der
Ordnung halber sei abschließend
darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Vorrichtung 1 diese
bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder
verkleinert dargestellt wurden.
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Die
den eigenständigen
erfinderischen Lösungen
zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Eintrittsöffnung
- 4
- Quantendetektor
- 5
- Anschlussbereich
- 6
- Gehäuseboden
- 7
- Filterelement
- 8
- Filterrad
- 9
- Sensorelement
- 10
- Schrittmotor
- 11
- Welle
- 12
- Datenverarbeitungsanlage
- 13
- Anschlusselement
- 14
- Reaktor
- 15
- Adapterelement
- 16
- Durchlassöffnung
- 17
- Rohrstutzen
- 18
- Rohrstutzen
- 19
- Kurve
- 20
- Kurve
- 21
- Zeitpunkt
- 22
- Zeitpunkt
- 23
- Zeitpunkt
