DE102009019572A1

DE102009019572A1 - Verfahren und Vorrichtung zur pyrometrischen Strahlungsmessung

Info

Publication number: DE102009019572A1
Application number: DE102009019572A
Authority: DE
Inventors: Steffen Wegwerth
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2009-05-02
Filing date: 2009-05-02
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen pyrometrischen Strahlungsmessung. Das Pyrometer umfasst eine Referenz-Strahlungsquelle und eine Detektor Einrichtung zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich, sowie in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die pyrometrische Temperaturmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur pyrometrischen Temperaturmessung an nicht ideal schwarzen, beziehungsweise grauen Strahlern.
Pyrometer ermöglichen eine berührungslose Temperaturmessung an Körpern. Das Messprinzip basiert im allgemeinen darauf, dass die spektrale Verteilung der emittierten Strahlung ausgewertet wird, wobei typischerweise die Intensität bei einer oder mehreren ausgewählten Wellenlängen bestimmt wird.
Ein Problem bei der genauen absoluten Quantifizierung der Temperatur ist dabei der materialspezifische Emissionsfaktor, welcher die bei einer gegebenen Temperatur emittierte Strahlungsleistung beeinflusst.
Bei sogenannten Quotienten-Pyrometern wird der Quotient der Strahlungsleistungen bei zwei verschiedenen Wellenlängen bestimmt. Da sich temperaturabhängig die Plancksche Strahlungskurve verändert und sich deren Maximum gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz verschiebt, ändert sich dieser Quotient als Funktion der Temperatur. Ein solches Pyrometer sollte in erster Näherung unabhängig vom Material des strahlenden Körpers sein, da der Emissionsgrad sowohl im Nenner, als auch im Zähler des Quotienten steht und sich damit herauskürzt.
Ein Problem besteht allerdings darin, dass der Emissionsgrad zusätzlich von der Wellenlänge der Strahlung und von der räumlichen Verteilung der abgegebenen Strahlungsintensität abhängig sein kann. Dies steht einer mit hoher Genauigkeit durchführbaren, verlässlichen und materialunabhängigen Temperaturmessung entgegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer und ein entsprechend mit dem Pyrometer durchführbares Temperaturmessverfahren bereitzustellen, welches eine exakte Temperaturmessung an einem Material mit beliebiger Oberflächenbeschaffenheit durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung ein Pyrometer vor, welches

– eine Detektoreinrichtung zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich, sowie zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich,
– zumindest eine Referenz-Strahlungsquelle, welche Strahlung zumindest im Bereich des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches abgibt,
– eine Optik, welche die von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle abgegebene Strahlung in Blickrichtung der Detektor-Einrichtung richtet, und
– eine Recheneinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, anhand der von der Detektoreinrichtung erfassten, in das Pyrometer zurückgeworfenen Strahlungsintensität der von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle emittierten Strahlung zu den Emissionsgraden des zu untersuchenden Körpers im ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrespondierende Kalibrationsparameter zu ermitteln und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten des Körpers innerhalb des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches mittels der Kalibrationsparameter die aktuelle Temperatur des Körpers zu ermitteln.

Ein mit dieser Vorrichtung durchführbares Verfahren zur pyrometrischen Strahlungsmessung der Strahlung eines Körpers umfasst entsprechend die Schritte der

– Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich mittels einer Detektoreinrichtung, sowie
– Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich mittels der Detektoreinrichtung, sowie die Schritte
– Einstrahlen der Strahlung einer Referenz-Strahlungsquelle, welche Strahlung zumindest im Bereich des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches abgibt, in Blickrichtung der Detektor-Einrichtung auf den Körper, und
– Errechnen der aktuellen Temperatur des Körpers mittels einer Recheneinrichtung anhand der von der Detektoreinrichtung erfassten, in das Pyrometer zurückgeworfenen Strahlungsintensität der von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle emittierten Strahlung, wobei zu den Emissionsgraden des zu untersuchenden Körpers im ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrespondierende Kalibrationsparameter ermittelt und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten des Körpers innerhalb des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches mittels der Kalibrationsparameter die aktuelle Temperatur des Körpers bestimmt wird.

Vorzugsweise umfasst die Detektoreinrichtung zumindest einen ersten und einen zweiten Detektor, wobei der erste Detektor zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung im ersten Wellenlängenbereich und der zweite Detektor zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich eingerichtet ist.
Die Anteile der von der Referenz-Strahlungsquelle emittierten und vom Körper zurückgestreuten Strahlung, sowie der vom Körper emittierten Strahlung werden überlagert. Um die spektralen Intensitäten der Referenz-Strahlungsquelle in den beiden Wellenlängenbereichen zu bestimmen, kann beispielsweise eine intermittierende Messung vorgenommen werden, indem in einer ersten Messung nur das direkte, beziehungsweise nicht vom Körper reflektierte Licht der Referenz-Lichtquelle und in einer zweiten Messung das vom Körper kommende Licht, welches das rückreflektierte oder rückgestreute Licht der Referenz-Strahlungsquelle und die abgestrahlte Wärmestrahlung enthält, erfasst wird.
Ebenso ist es gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung möglich, mittels eines oder mehrerer weiterer Detektoren der Detektor-Einrichtung einen direkten, also nicht vom Körper reflektierten Teilstrahl der Referenz-Strahlungsquelle zu erfassen und so die spektrale Intensität der ersten und zweiten Wellenlängenbereiche des Teilstrahls zu messen.
Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine parallele Messung der Strahlungsintensität der Referenz-Strahlungsquelle während der Aufzeichnung der Wärmestrahlung. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn sich der Messfleck über die Oberfläche des Körpers bewegt, da sich hier die Parameter der Kalibration schnell ändern können.
Bevorzugt umfasst dabei jeder der Detektoren zwei Strahlungsempfänger, wobei jeweils einem der Strahlungsempfänger des ersten und zweiten Detektors ein Bandpassfilter zur Ausfilterung des ersten Wellenlängenbereiches und dem jeweils weiteren Strahlungsempfänger des ersten und zweiten Detektors ein Bandpassfilter zur Ausfilterung des zweiten Wellenlängenbereiches vorgeschaltet ist.
Die Referenz-Strahlungsquelle kann in einfacher Weise mit einem Strahlteiler in den Strahlengang der Optik eingekoppelt werden, so dass die vom Strahlteiler reflektierte Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle antiparallel zur vom Körper empfangenen Strahlung läuft. Der Strahlteiler transmittiert dann wiederum einen Teil der vom Körper ausgesendeten Strahlung.
Dies bietet auch den Vorteil, den vom Strahlteiler nicht reflektierten, sondern transmittierte Anteil der Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle mittels eines Detektors mit einem oder mehreren Strahlungsempfängern zu messen und damit in einfacher Weise die Intensität der Primärstrahlung separat von der überlagerten, vom Körper stammenden Strahlung zu detektieren. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung zumindest ein weiterer Detektor der Detektor-Einrichtung vorgesehen, welcher so angeordnet ist, dass ein nicht vom Körper reflektierten Teilstrahl der Referenz-Strahlungsquelle erfasst und damit die spektrale Intensität der ersten und zweiten Wellenlängenbereiche gemessen wird.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Detektor-Einrichtung einen Detektor mit zumindest einem Strahlungsempfänger zur Detektion des ersten Wellenlängenbereichs und zumindest einen weiteren Strahlungsempfänger zur Detektion des zweiten Wellenlängenbereichs umfasst, wobei ein wellenlängenselektiver Teilerspiegel vorgesehen ist, mit welchem das empfangene Licht in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die unterschiedliche spektrale Bereiche des empfangenen Lichts enthalten, wobei ein erster Teilstrahl die spektralen Anteile des ersten Wellenlängenbereichs enthält und auf den Strahlungsempfänger zur Detektion des ersten Wellenlängenbereichs gerichtet ist, und wobei ein zweiter Teilstrahl die spektralen Anteile des zweiten Wellenlängenbereichs enthält und auf den weiteren Strahlungsempfänger zur Detektion des zweiten Wellenlängenbereichs gerichtet ist. Mit dem wellenlängenselektiven Teilerspiegel wird auf diese Weise vermieden, dass Anteile des ersten Wellenlängenbereichs dem Strahlungsempfänger zur Detektion des zweiten Wellenlängenbereichs und umgekehrt Anteile des zweiten Wellenlängenbereichs dem Strahlungsempfänger zur Detektion des ersten Wellenlängenbereichs zugeleitet werden. Da typischerweise ein wellenlängenselektiver Teilerspiegel eine sehr breitbandige Aufteilung der Wellenlängenbereiche vornimmt, ist es zusätzlich noch günstig, die oben erwähnten Bandpassfilter einzusetzen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 ein Pyrometer mit einem vor dem Pyrometer angeordneten, Wärmestrahlung aussendenden Körper, und
2 Details des Pyrometers 1.
Anhand von 1 wird das Prinzip der Erfindung nochmals näher erläutert. 1 zeigt ein Pyrometer 1, welches auf einen Körper 9 gerichtet ist, um dessen Temperatur anhand der emittierten Wärmestrahlung zu messen.
Das Pyrometer 1 basiert darauf, nicht nur lediglich die aufgenommene Wärmestrahlung zu erfassen, sondern auch selbst die Oberfläche des Körpers 9 mittels eines Strahls 101 ausgesendeter Strahlung zu beleuchten. Anhand der Intensität des Strahls 103 der rückgestreuten und/oder rückreflektierten Strahlung werden die Eigenschaften der Oberfläche hinsichtlich von deren Emissionsgrad bestimmt.
Allgemein basiert das Pyrometer 1 daher auf

– einer Detektoreinrichtung zur Detektion der Strahlungsintensität der vom Körper 9 ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich, sowie zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper 9 ausgestrahlten Strahlung in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich,
– zumindest eine Referenz-Strahlungsquelle, welche Strahlung zumindest im Bereich des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches abgibt, wobei
– eine Optik vorgesehen ist, welche die von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle abgegebene Strahlung in Blickrichtung der Detektoren richtet, sowie
– einer Recheneinrichtung, welche eingerichtet ist, anhand der von den Detektoren erfassten, in das Pyrometer zurückreflektierten Strahlungsintensität der von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle emittierten Strahlung zu den Emissionsgraden des zu untersuchenden Körpers im ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrespondierende Kalibrationsparameter zu ermitteln und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten des Körpers 9 innerhalb des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches mittels der Kalibrationsparameter die aktuelle Temperatur des Körpers 9 zu ermitteln.

Trifft der Strahl 101 der Referenz-Strahlungsquelle auf die Oberfläche des Körpers 9, wird diese zu einem Teil 102 absorbiert. Ein weiterer Teil 103 wird diffus gestreut. Nur ein Teil 104 der ausgesendeten Strahlung wird wieder im Pyrometer empfangen. Die empfangene Strahlung 100 setzt sich folglich aus dem zurückgeworfenen Teil 104 der ausgesendeten Strahlung und der in Richtung auf das Pyrometer 1 abgegebenen Wärmestrahlung 105 zusammen.
Die empfangene Strahlungsleistung S_e kann daher durch folgenden Zusammenhang ausgedrückt werden: Se = d·r·Sa + ST (1)
In dieser Gleichung bezeichnet S_a die ausgesendete Strahlungsleistung, also die Strahlungsleistung des Strahls 101. S_T bezeichnet die Strahlungsleistung der Temperaturstrahlung, also des Strahls 105. Der Faktor d ist der Anteil der vom Messsystem des Pyrometers 1 tatsächlich erfassten, zurückgeworfenen Strahlung. Der Faktor r schliesslich ist der Reflexionsfaktor der Oberfläche. Das Produkt d·r ergibt demgemäß das Verhältnis der Intensitäten oder Strahlungsleistungen der Strahlen 104 und 101.
Sofern es sich, was für pyrometrische Messungen zweckmässig ist, nicht um einen transparenten Körper handelt, stehen der Reflexionsfaktor r und der Absorptionsfaktor ε, der gleichzeitig den Emissionsgrad darstellt, in folgendem Zusammenhang: r = 1 – ε (2)
Aus der Kombination der Gleichungen (1) und (2) folgt: Se = d·(1 – ε)·Sa + ST (3)
Der Emissionsgrad ε ist das Verhältnis von tatsächlicher Temperaturstrahlungsleistung S_T zur sogenannten Schwarzkörperstrahlungsleistung S_S. Ein schwarzer Körper ist ein idealisierter Körper, welcher seine gesamte Energie in Form von Strahlung abgibt und einen Emissionsgrad von 1 besitzt.
Ersetzt man den Emissionsgrad ε durch dieses Verhältnis, ergibt sich folgende Gleichung: Se = d·(1 – (ST/SS(T)))·Sa + ST (4)
Die Schwarzkörperstrahlung S_S(T) ist eine von der Temperatur T abhängige Funktion, die sich nach dem Planckschen Strahlungsgesetz verhält. Demnach ist Gleichung (4) nun nicht mehr vom Emissionsgrad ε, dafür aber von der Temperatur abhängig.
Die Funktion S_S(T) kann für das Pyrometer durch Kalibrierung bestimmt werden. Damit ist die Strahlung eines schwarzen Körpers für die jeweilige Temperatur bekannt.
Noch ist allerdings die Gleichung vom nicht bekannten Faktor d, mit anderen Worten also des Anteils der diffus gestreuten Strahlung 103 abhängig.
Um diese Abhängigkeit zu eliminieren, wird die Messung auf zwei Wellenlängen, beziehungsweise Wellenlängenbereiche um diese Wellenlängen erweitert. Wird das Verhältnis zweier Gleichungen (4) bei zwei verschiedenen Wellenlängen gebildet, kürzt sich der Faktor d heraus. Dabei liegt die Annahme oder Näherung zugrunde, dass die Streuung nicht wellenlängenabhhängig innerhalb der betrachteten Wellenlängen ist.
Es ergibt sich die folgende Beziehung:
Dabei bezeichnen λ1 und λ2 die beiden in verschiedener spektraler Lage liegenden Wellenlängenbereiche. S_e,λ1 und S_e,λ2 sind die empfangenen Strahlungsleistungen zu den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2. S_T,λ1 und S_T,λ2 sind die tatsächlichen Strahlungsleistungen des Körpers innerhalb der Wellenlängenbereiche λ1, beziehungsweise λ2. S_a,λ1 und S_a,λ2 schließlich sind die abgegebenen Strahlungsleistungen der Referenz-Strahlungsquelle in den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2.
Gleichung (5) kann nun dazu verwendet werden, die Temperatur des Körpers zu bestimmen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Recheneinrichtung daher dazu eingerichtet, die Temperatur gemäß der oben angegebenen Gleichung (5) zu ermitteln.
Um die Berechnung der Temperatur zu vereinfachen, kann durch Umstellung der Gleichung (5) auch folgende Beziehung verwendet werden:
Für die Konstanten A, B, C, D gelten dabei folgende Beziehungen: A = Sa,λ1·Se,λ2 – Sa,λ1·ST,λ2 (7) B = Sa,λ1·Se,λ2·ST,λ1 – Sa,λ1·ST,λ1·ST,λ2 (8) C = Sa,λ2· Se,λ1 – Sa,λ2·ST,λ1 (9) D = Sa,λ2·Se,λ1·ST,λ2 – Sa,λ2·ST,λ1·ST,λ2 (10)
Sowohl in Gleichung (5), als auch in Gleichung (6) kann für die temperaturabhängigen Intensitäten, beziehungsweise Strahlungsleistungen S_S,λ1, S_S,λ2 der Schwarzkörperstrahlung in den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2 folgende Beziehungen angesetzt werden:
Dabei bezeichnen die Konstanten k1, k2, a1 und a2 vom Pyrometer abhängige, beziehungsweise für das Pyrometer spezifische Parameter. Diese Parameter können durch Kalibrierung des Pyrometers bestimmt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist also die Recheneinrichtung dazu eingerichtet, die Temperatur des Körpers anhand von Gleichung (6) zu bestimmen. Da Gleichung (6) nur von einer einzelnen Temperatur abhängt, kann dazu von der Recheneinrichtung die Temperatur ermittelt werden, für welche die Gleichung (6) hinreichend gut erfüllt wird, beziehungsweise, für die Gleichung (6) ein wahres Vergleichsergebnis liefert. In der praktischen Ausführung kann dazu ein Grenzwert vorgegeben werden. Ist die Abweichung der Vergleichswerte kleiner als der Grenzwert, wird die Temperatur als die tatsächliche Temperatur ausgegeben.
Die Recheneinrichtung führt zur Bestimmung der Temperatur des Körpers vorzugsweise ein Näherungsverfahren durch, bei welchem die Temperaturvariable in Gleichung 6 in Verbindung mit den Gleichungen 11, 12 so lange geändert wird, bis ein hinreichend genaues Ergebnis erhalten wird, beziehungsweise bis die Terme der Gleichung hinreichend gut übereinstimmen, deren Abweichung also kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Die so ermittelte Temperatur entspricht dann sehr genau der tatsächlichen Temperatur der Oberfläche des Körpers 9. Als Näherungsverfahren zur Bestimmung der Temperatur wird ein Iterationsverfahren besonders bevorzugt.
Ist die Temperatur einmal bestimmt, können auch die Schwarzkörperstrahlung und die Emissionsgrade des Körpers 9 in den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2 bestimmt werden. Für die Emissionsgrade gilt:
(Emissionsgrad im Wellenlängenbereich λ1), und
(Emissionsgrad im Wellenlängenbereich λ2).
Die Bestimmung der Emissionsgrade mittels der Recheneinrichtung gemäß den Beziehungen (13) und (14) und unter Berücksichtigung der bestimmten tatsächlichen Wärmestrahlungsintensitäten, beziehungsweise Wärmestrahlungsleistungen S_T,λ1, S_T,λ2 ist unter anderem günstig, um den Rechenaufwand zur Bestimmung der Temperatur in nachfolgenden Messungen zu vereinfachen.
2 zeigt einen genaueren Aufbau des Pyrometers 1. Das Pyrometer umfasst einen ersten Detektor 30 mit zwei Strahlungsempfängern 23, 25 und einen zweiten Detektor 31 mit zwei weiteren Strahlungsempfängern 27, 29. Außerdem ist ein Strahlteiler 7 in der Blickrichtung des ersten Detektors 30 angeordnet. Mit dem Strahlteiler 7 wird in Blickrichtung des ersten Detektors das Licht einer Referenz-Strahlungsquelle parallel zur vom Körper 9 über das Objektiv 7 empfangenen Strahlung eingekoppelt.
Das durch den Strahlteiler 7 transmittierte Licht der Referenz-Strahlungsquelle 3 wird vom zweiten Detektor 31 empfangen und ausgewertet. Mit dem zweiten Detektor 31 wird demgemäß die Intensität der Referenz-Strahlungsquelle 3 bestimmt.
Der erste Detektor empfängt demgegenüber die vom Körper 9 abgegebene Strahlung, die eine Überlagerung der Wärmestrahlung mit der von der Oberfäche zurückgeworfenen, mittels dem Strahlteiler 7 eingekoppelten Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle 7 ist.
Jeder der Detektoren 30, 31 umfasst einen wellenlängenselektiven Teilerspiegel 11. Der Detektor 30 umfasst weiterhin zwei Strahlungsempfänger 23, 25, denen optische Bandpassfilter 15, 19 vorgeschaltet sind. Am wellenlängenselektiven Teilerspiegel 11 werden aus der einfallenden Strahlung zwei Teilstrahlen erzeugt, wovon ein Teilstrahl reflektiert, der andere durch den Teilerspiegel 11 transmittiert. Der Teilerspiegel 11 ist so abgestimmt, dass die spektralen Anteile des ersten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig transmittiert werden, während die spektralen Anteile des zweiten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig reflektiert werden. Um aus den transmittierten spektralen Anteilen den ersten Wellenlängenbereich zu selektieren, ist vor dem Strahlungsempfänger 23 ein optischer Bandpassfilter 15 angeordnet. Ebenso ist dem Strahlungsempfänger 25 ein Bandpassfilter 19 zur Selektion des zweiten Wellenlängenbereichs vorgeschaltet. Mithin wird mit dem Strahlungsempfänger 23 die Strahlungsintensität innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs und mit dem Strahlungsempfänger 25 die Strahlungsintensität innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs bestimmt.
Der weitere Detektor 31 ist analog aufgebaut, wobei der Strahlungsempfänger 27 zur Detektion der Strahlungsintensität des ersten und der Strahlungsempfänger 29 zur Detektion der Strahlungsintensität des zweiten Wellenlängenbereichs der von der Referenz-Strahlungsquelle emittierten und durch den Teilerspiegel 7 transmittierten Strahlung dient.
Als Referenz-Strahlungsquelle kann beispielsweise eine Glühlampe verwendet werden. Auch eine Anordnung von verschiedenen Leuchtdioden, die entweder im ersten oder im zweiten Wellenlängenbereich emittieren, sind möglich.
In Bezug auf die Gleichungen (5) und (6) werden vom Detektor 30 die Strahlungsleistungen S_e,λ1 und S_e,λ2 detektiert, wobei der Strahlungsempfänger 23 die Strahlungsleistung S_e,λ1 und der Strahlungsempfänger 25 die Strahlungsleistung S_e,λ2 misst. Die Strahlungsempfänger 27 und 29 des Detektors 31 messen die abgegebenen Strahlungsleistungen S_a,λ1 und S_a,λ2.
Um den Anteil der zurückgeworfenen Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle 3 zu bestimmen, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Referenz-Strahlungsquelle auch mittels einer geeigneten Einrichtung auch diskontinuierlich in den Strahlengang eingekoppelt werden. Dann kann mittels des Detektors 30 einmal die Strahlung mit dem Anteil der zurückgeworfenen Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle und einmal – bei ausgeschaltetem Strahl – ohne diesen Anteil gemessen werden. Aus dem Vergleich dieser beiden Grössen können dann direkt die empfangene Wärmestrahlung des Körpers 9 bei ausgeschaltetem Strahl der Referenzstrahlungsquelle und der Anteil der zurückgeworfenen Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle bestimmt werden. Der Anteil der zurückgeworfenen Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle 3 ergibt sich dabei aus der Differenz der Strahlungsintensitäten bei ein- und ausgeschaltetem Strahl der Referenz-Strahlungsquelle.
Werden schnell schaltbare Strahlungsquellen, wie etwa Leuchtdioden verwendet, kann eine getaktete Schalteinrichtung zur diskontinuierlichen oder getakteten Bestrahlung des Körpers verwendet werden. Wird eine thermische Referenz-Strahlungsquelle, wie etwa eine Glühfadenlampe, oder eine andere vergleichsweise träge Lichtquelle verwendet, bietet es sich auch an, einen Chopper oder ein Galvanometer zum getakteten Unterbrechen des Strahls zu verwenden. Als Beispiel ist in 2 ein Chopper 32 mit einer durch einen Motor 33 rotierend bewegten Sektorblende 34 dargestellt.
Da in dieser Weiterbildung der Erfindung die vom Körper 9 zurückgeworfenen Strahlungsintensität der Referenz-Strahlungsquelle 3 auch durch Differenzbildung der empfangenen Strahlungsleistungen bei zu- und abgeschaltetem Strahl der Referenz-Strahlungsquelle 3 bestimmt werden kann, ist es hier auch beispielsweise möglich, den Detektor 31 wegzulassen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. So können die Detektoren 30 und 31 auch anders, beispielsweise als Spektrometer aufgebaut sein. Die Strahlungsempfänger können unter anderem Halbleiter-Elemente, Bolometer, Golay-Zellen oder pyroelektrische Sensoren umfassen. Die Auswahl des Sensor-Typs richtet sich dabei vorzugsweise auch daran, in welchem spektralen Bereich der erste und zweite Wellenlängenbereich liegen.

1: Pyrometer
3: Referenz-Strahlungsquelle
5: Objektiv
7: Teilerspiegel
9: wärmestrahlender Körper
11: wellenlängenselektiver Teilerspiegel
15: Bandpassfilter für Wellenlängenbereich λ1
19: Bandpassfilter für Wellenlängenbereich λ2
23, 27: Strahlungsempfänger für Strahlung im Wellenlängenbereich λ1
25, 29: Strahlungsempfänger für Strahlung im Wellenlängenbereich λ2
30, 31: Detektoren
32: Chopper
33: Motor von 32
34: Sektorblende von 32

Claims

Pyrometer (1), umfassend – eine Detektoreinrichtung zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich, sowie zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper (9) ausgestrahlten Strahlung in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich, – zumindest eine Referenz-Strahlungsquelle (3), welche Strahlung zumindest im Bereich des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches abgibt, wobei – eine Optik vorgesehen ist, welche die von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle (3) abgegebene Strahlung in Blickrichtung der Detektor-Einrichtung richtet, – eine Recheneinrichtung, welche eingerichtet ist, anhand der von der Detektoreinrichtung erfassten, in das Pyrometer (1) zurückgeworfenen Strahlungsintensität der von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle (3) emittierten Strahlung zu den Emissionsgraden des zu untersuchenden Körpers im ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrespondierende Kalibrationsparameter zu ermitteln und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten des Körpers (9) innerhalb des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches mittels der Kalibrationsparameter die aktuelle Temperatur des Körpers (9) zu ermitteln.
Pyrometer gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung einen ersten und einen zweiten Detektor (30, 31) umfasst, wobei der erste Detektor (30) zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper (9) ausgestrahlten Strahlung im ersten Wellenlängenbereich und der zweite Detektor (31) zur Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper (9) ausgestrahlten Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich eingerichtet ist.
Pyrometer gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Detektoren (30, 31) zwei Strahlungsempfänger (23, 25, 27, 29) umfasst, wobei jeweils einem der Strahlungsempfänger (23, 27) des ersten und zweiten Detektors (30, 31) ein Bandpassfilter (15) zur Ausfilterung des ersten Wellenlängenbereiches und dem jeweils weiteren Strahlungsempfänger (25, 29) des ersten und zweiten Detektors (30, 31) ein Bandpassfilter (17) zur Ausfilterung des zweiten Wellenlängenbereiches vorgeschaltet ist.
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektor-Einrichtung einen Detektor mit zumindest einem Strahlungsempfänger zur Detektion des ersten Wellenlängenbereichs und zumindest einen weiteren Strahlungsempfänger zur Detektion des zweiten Wellenlängenbereichs umfasst, wobei ein wellenlängenselektiver Teilerspiegel (11) vorgesehen ist, mit welchem das empfangene Licht in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die unterschiedliche spektrale Bereiche des empfangenen Lichts enthalten, wobei ein erster Teilstrahl die spektralen Anteile des ersten Wellenlängenbereichs enthält und auf den Strahlungsempfänger (23) zur Detektion des ersten Wellenlängenbereichs gerichtet ist, und wobei ein zweiter Teilstrahl die spektralen Anteile des zweiten Wellenlängenbereichs enthält und auf den weiteren Strahlungsempfänger zur Detektion des zweiten Wellenlängenbereichs (25) gerichtet ist.
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Strahlungsquelle (3) mit einem Strahlteiler (7) in den Strahlengang der Optik eingekoppelt wird, so dass die vom Strahlteiler (7) reflektierte Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle (3) antiparallel zur vom Körper (9) empfangenen Strahlung läuft.
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren Detektor der Detektor-Einrichtung, welcher so angeordnet ist, dass ein nicht vom Körper reflektierter Teilstrahl der Referenz-Strahlungsquelle (3) erfasst und die spektrale Intensität der ersten und zweiten Wellenlängenbereiche gemessen wird.
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Körpers (9) anhand folgender Beziehung zu ermitteln:
wobei λ1 und λ2 den ersten und zweiten Wellenlängenbereich, S_e,λ1 und S_e,λ2 die empfangenen Strahlungsleistungen zu den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2, und S_T,λ1 und S_T,λ2 die tatsächlichen Strahlungsleistungen des Körpers (9) innerhalb der Wellenlängenbereiche λ1, beziehungsweise λ2 bezeichnen, und wobei S_S,λ1 (T) und S_S,λ1 (T) die temperaturabhängigen Strahlungsleistungen eines schwarzen Körpers und S_a,λ1 und S_a,λ2 die abgegebenen Strahlungsleistungen der Referenz- Strahlungsquelle (3) in den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2 sind.
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Körpers (9) anhand folgender Beziehung zu ermitteln:
wobei A, B, C und D Konstanten sind, für die gilt: A = Sa,λ1·Se,λ2 – Sa,λ1·ST,λ2, B = Sa,λ1·Se,λ2·ST,λ1 – Sa,λ1·ST,λ1·ST,λ2, C = Sa,λ2·Se,λ1 – Sa,λ2·ST,λ1,und D = Sa,λ2·Se,λ1·ST,λ2 – Sa,λ2·ST,λ1·ST,λ2 wobei λ1 und λ2 den ersten und zweiten Wellenlängenbereich, S_e,λ1 und S_e,λ2 die empfangenen Strahlungsleistungen zu den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2, und S_T,λ1 und S_T,λ2 die tatsächlichen Strahlungsleistungen des Körpers (9) innerhalb der Wellenlängenbereiche λ1, beziehungsweise λ2 bezeichnen, und wobei S_S,λ1 (T) und S_S,λ1 (T) die temperaturabhängigen Strahlungsleistungen eines schwarzen Körpers und S_a,λ1 und S_a,λ2 die abgegebenen Strahlungsleistungen der Referenz-Strahlungsquelle (3) in den Wellenlängenbereichen λ1 und λ2 sind, und wobei für S_S,λ1 (T) und S_S,λ1 (T) gilt:
sowie
wobei k1, k2, a1 und a2 für das Pyrometer (1) spezifische Konstanten sind.
Pyrometer gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung eingerichtet ist, zur Bestimmung der Temperatur des Körpers (9) ein Näherungsverfahren durchzuführen, bei welchem die Temperaturvariable so lange geändert wird, bis die Terme der Gleichung eine Abweichung zeigen, die kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Pyrometer gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Temperatur in einem iterativen Näherungsverfahren zu bestimmen.
Pyrometer gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, anhand der bestimmten tatsächlichen Temperatur und der tatsächlichen Strahlungsleistungen des Körpers S_T,λ1 und S_T,λ2 innerhalb der Wellenlängenbereiche λ1, λ2 die Emissionsgrade ε₁, ε₂ in den Wellenlängenbereichen λ1, λ2 zu bestimmen, wobei für den Emissionsgrad ε₁ im Wellenlängenbereich λ1 gilt:
und für den Emissionsgrad ε₂ im Wellenlängenbereich λ2 gilt:
Pyrometer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur diskontinuierlichen Einkopplung der Strahlung der Referenz-Strahlungsquelle in den Strahlengang.
Verfahren zur pyrometrischen Strahlungsmessung der Strahlung eines Körpers (9), umfassend die Schritte der – Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper (9 ausgestrahlten Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich mittels einer Detektoreinrichtung, sowie – Detektion der Strahlungsintensität der von einem Körper (9) ausgestrahlten Strahlung in einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereich mittels der Detektoreinrichtung, sowie die Schritte – Einstrahlen der Strahlung einer Referenz-Strahlungsquelle (3), welche Strahlung zumindest im Bereich des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches abgibt, in Blickrichtung der Detektor-Einrichtung auf den Körper (9), – Errechnen der aktuellen Temperatur des Körpers (9) mittels einer Recheneinrichtung anhand der von der Detektoreinrichtung erfassten, in das Pyrometer (1) zurückgeworfenen Strahlungsintensität der von der zumindest einen Referenz-Strahlungsquelle (3) emittierten Strahlung, wobei zu den Emissionsgraden des zu untersuchenden Körpers (9) im ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrespondierende Kalibrationsparameter ermittelt und aus den gemessenen Strahlungsintensitäten des Körpers (9) innerhalb des ersten und zweiten Wellenlängenbereiches mittels der Kalibrationsparameter die aktuelle Temperatur des Körpers (9) bestimmt wird.