DE19922277A1

DE19922277A1 - Pyrometersystem

Info

Publication number: DE19922277A1
Application number: DE19922277A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fried; Herbert Schulze; Ingolf Kahleys; Sebastian Nagel
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Virtualfab Technologie 07745 Jena De GmbH
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: DE19922277B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pyrometersystem zur berührungsfreien Messung der Temperatur bzw. des Emissionsgrades von Objekten. DOLLAR A Aufgabe war es, ein Meßsystem zu schaffen, mit welchem unter vergleichsweise geringem Aufwand unterschiedliche pyrometrische Meßverfahren (einzeln oder in Kombination) zur Anwendung kommen können. Insbesondere soll es möglich sein, die Temperatur bzw. den Emissionsgrad für jeden gegebenen Anwendungsfall unter Anwendung des oder der jeweils zweckmäßigsten Pyrometerverfahren zu ermitteln. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein modulares Meßsystem mit wenigstens einem mehrkanaligen Sensor-Grundmodul (1) und einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (3) für das Sensor-Grundmodul (1) sowie ggf. zur Steuerung einer Hilfsstrahlungsquelle (5) zur Objektbestrahlung für die Emissionsgradmessung vorgeschlagen. Das Sensor-Grundmodul (1) besitzt austauschbare Eingangsadapter (2) mit vorzugsweise sehr schmalbandigen optischen Durchlaßfiltern (10). Über diese Eingangsadapter (2) sind an sich bekannte Meßköpfe (6) mit den zugehörigen optischen Übertragungskanälen (7) an das Sensor-Grundmodul (1) anschließbar. Je nach Anschlußadaptierung der optischen Meßköpfe (6) und je nach Steuerung des Sensor-Grundmoduls (1) und ggf. der besagten Hilfsstrahlungsquelle (5) für die Emissionsgradmessung sind mit ein und demselben modularen System unterschiedliche pyrometrische Meßverfahren (einzeln oder in Kombination) realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pyrometersystem zur berührungsfreien Messung der Temperatur und/oder des Emissionsgrades von Objekten. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind dabei hochgenaue Messungen im Temperaturbereich von 800°C bis 3000°C.

Es sind bisher eine Vielzahl von berührungslos arbeitenden Pyrometern sowohl für den allgemeinen Anwendungsfall als für sehr spezielle Meßaufgaben bekannt.

Durch die Entwicklung unterschiedlicher Meßverfahren wurde versucht, Fortschritte hinsichtlich solcher Zielstellungen, wie höhere Meßgenauigkeit, einfache Kalibrierbarkeit, Unabhängigkeit von Materialparametern, wie Emissionsgrad, Materialart und Oberflächenbeschaffenheit, zu erreichen. In dem betrachteten Temperaturmeßbereich T < 800°C sind gerade Spektral pyrometer und Quotientenpyrometer kommerziell stark verbreitet.

Insbesondere ermöglicht ein Spektralpyrometer nach DE 44 33 347 mit einer stark geblockten (< 10^-6), aber aufwendigen Schmalbandfilteranordnung ein Meßsignal, das hinreichend proportional zum Planckschen Strahlungsgesetz ist, sowie eine einfache Kalibrierung und bei bekanntem Emissionsgrad, eine sehr genaue Temperaturbestimmung.

Durch Ausbildung von speziell geformten Hohlräumen im Meßobjekt wurde versucht den Emissionsgrad unabhängig von den Materialeigenschaften auf einen Wert ε → 1 zu bringen. In OS 38 12 246 wird zur Temperaturmessung an Gasen (in Gasturbinen) deshalb durch eine Metallschicht auf einem Lichtleiterkopf ein solcher Hohlraum realisiert.

Quotientenpyrometer sollten analog zum Spektralpyrometer schmalbandig bei zwei nicht zu weit voneinander entfernten Wellenlängen arbeiten. Unter der Voraussetzung, daß der Emissionsgrad im genutzten Wellenlängen bereich als konstant angesehen werden kann, ist dann die aus dem Signalquotient berechnete Temperatur unabhängig vom Emissionsgrad. Obgleich dieses Prinzip allgemein anerkannt ist, wird bei bekannt gewordenen Umsetzungen häufig gegen diesen Grundsatz verstoßen. Im EP 0 218 157 wird bei einem Präzisionspyrometer sogar auf die optische Filterung gänzlich verzichtet, und es wird die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit zweier Fotoempfänger genutzt. Da jedoch die spektralen Empfindlichkeitskurven von Fotoempfängern in der Regel sehr breit sind, ist eine definitionsgerechte Temperaturmessung kaum zu realisieren.

Die Festlegung eines bestimmten Wellenlängenpaares und die für den Anwender nur schwer überprüfbare Annahme des gleichbleibenden Emissionsgrades im resultierenden Wellenlängenbereich sind im allgemeinen die wesentlichen Ursachen für Messprobleme bei den bekannten Lösungen zum Quotientenpyrometer. In der US 4 659 234 werden mit einem drei kanaligen Aufbau und schmalbandiger Filterung Strahlungssignale S1(λ₁), S2(λ₁) und S3(λ₂) erzeugt. Die Temperatur einer Objektoberfläche wird dann ohne Kenntnis des Emissionsgrads (ε = 1) als gewichteter Mittelwert der sich aus dem Quotienten S2/S3 und dem Signal S1 ergebenen Temperaturen bestimmt. Nachteilig dabei ist jedoch die Bestimmung des Gewichtsfaktors in einer zusätzlichen Kalibriermessung am Schwarzen Strahler.

Nach EP 0 592 361 besteht ein Funktionszusammenhang zwischen den Emis sionsgraden für die beiden Wellenlängen, der für die Temperaturmessung genutzt wird. Dieser Funktionszusammenhang ist jedoch zunächst zu bestimmen, wobei offen ist, ob eine Verallgemeinerung auf mehrere Materialien und verschiedene Temperaturbereiche zulässig ist.

Weiterhin ist prinzipiell auch die Möglichkeit genannt worden, mit Hilfsstrahlungsquellen auf die zu messende Oberfläche zu strahlen, um über das Absorptionsverhalten auf den Emissionsgrad zu schließen.

Generell bleibt festzustellen, daß gerade für eine präzise Temperaturmessung die vorgegebenen Meßanordnungen hochgradig spezialisiert sind. Anwender mit breitem Meßaufgabenspektrum müssen aufgabenbezogene Vor- und Nachteile berücksichtigen. Der Wunsch nach einer anwendungsspezifischen Auswahl eines Meßverfahrens oder nach Vergleichsmessungen mit verschiedenen Meßverfahren werden aus Aufwandsgründen enge Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Meßsystem zu schaffen, mit welchem unter vergleichsweise geringem Aufwand unterschiedliche pyrometrische Meßverfahren (einzeln oder in Kombination) realisiert werden können. Insbesondere soll es möglich sein, die Temperatur bzw. den Emissionsgrad für jeden gegebenen Anwendungsfall unter Anwendung des oder der jeweils zweckmäßigsten Pyrometerverfahren zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird ein modulares pyrometrisches Meßsystem mit einem (oder auch mehreren) zumindest zweikanaligen Sensor-Grundmodul und einer Steuer- und Verarbeitungseinheit für das oder die Sensor-Grundmodule sowie ggf. zur Steuerung einer Hilfsstrahlungsquelle zur Objektbestrahlung für eine Emissionsgradmessung vorgeschlagen. Das Sensor-Grundmodul besitzt für jeden Kanal einen austauschbaren Eingangsadapter mit vorzugsweise sehr schmalbandigen optischen Durchlassfiltern. Über diese Eingangsadapter sind an sich bekannte Meßköpfe mit zugehörigen optischen Übertragungskanälen an das Sensor-Grundmodul anschließbar. Auf diese Weise sind mit dem Sensor-Grundmodul je nach Anschlußadaptierung der Meßköpfe (Messwertübertragung über die Adapter mit den optischen Durchlaßfiltern) und je nach Steuerung des Sensor-Grundmoduls sowie ggf. der besagten Hilfsstrahlungsquelle für die Emissionsgradmessung mit ein und demselben modularen System (insbesondere des mehrkanaligen Sensor- Grundmoduls und der Steuer- und Verarbeitungseinheit) unterschiedliche pyrometrische Meßverfahren (einzeln oder in Kombination) realisierbar. Für jede Meßaufgabe ist somit das geeignete Meßverfahren im Betrieb als Spektralpyrometer mit und ohne Emissionsgradbestimmung, als Quotientenpyrometer mit und ohne Emissionsgradbestimmung oder als Emissionsgradmessgerät (mit Spektralpyrometeranordnung) anwendbar. Das modulare System kann auch so adaptiert und gesteuert werden, daß diese unterschiedlichen pyrometrischen Meßprinzipe auch gleichzeitig (simultan) zur Anwendung kommen, wobei sogar Meßwerte bei der Auswertung interpoliert werden können. Ein Vorteil ist es ebenfalls, wenn mehrere Sensorbausteine zum Zweck einer Temperaturfeldberechnung zu einem Pyrometer mit 2n Meßkanälen zusammengeschaltet werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Übersichtsdarstellung des modularen zweikanaligen Pyrometer systems,

Fig. 2 Sensor-Grundmodul in analoger Ausführung,

Fig. 3 Sensor-Grundmodul in digitaler Ausführung,

Fig. 4 Faserbündelanordnung und Ankopplung an den Meßkopf mit peripheren Empfangsfasern und einer zentralen Sendefaser zur zusätzlichen Bestrahlung des Meßobjektes durch eine Hilfsstrah lungsquelle,

Fig. 5 räumlich getrennte Anordnung von Faserbündeln für den Empfang der Meßobjektstrahlung und die zusätzliche Bestrahlung des Meßobjektes mit der Hilfsstrahlungsquelle,

Fig. 6 Übersichtsdarstellung einer gemeinsamen Meß- und Steuersoftware für alle Betriebsarten des Pyrometersystems.

Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung des erfindungsgemäßen modularen Pyrometersystems mit den einzelnen Komponenten im zweikanaligen Grundaufbau.

Ein Sensor-Grundmodul 1 mit zwei Eingangsadaptern 2 (jeweils ein Eingangsadapter 2 für jeden Kanal des Pyrometersystems) ist an eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 angeschlossen. Diese wertet die Ausgangssignale des Sensor-Grundmoduls 1 mittels einer Meß- und Steuersoftware 4 aus und steuert sowohl die Betriebsart des Sensor-Grundmoduls 1 als auch eine für die Betriebsart "Absorptionspyrometer" vorgesehene Hilfsstrahlungsquelle 5. Die von einem aus Übersichtsgründen nicht in Fig. 1 dargestellten Meßobjekt 17 ausgehende Strahlung gelangt in jedem Kanal des Pyrometer systems jeweils über einen optischen Meßkopf 6 und einen optischen Über tragungskanal 7 zum korrespondierenden Eingangsadapter 2 und wird damit im Sensor-Grundmodul 1 detektiert. Jeder optische Meßkopf 6 enthält eine Abbildungsoptik 8 (Saphirlinse) zur Strahlführung der vom optischen Meßkopf 6 aufgenommenen Strahlung in den entsprechenden optischen Übertragungskanal 7. Ein jeweils der Abbildungsoptik 8 vorgeschaltete IR- Spiegel 9 dient mit der zu den Schmalbandfiltern 10 passenden Kantenwellenlänge der asymmetrischen Anpassung der Blockung der Schmalbandfilter 10 im Eingangsadapter 2 an die durch das Plancksche Strahlungsgesetz vorgegebene Strahlungscharakteristik.

Mit diesem in Übersichtsdarstellung von Fig. 1 gezeigten zweikanaligen Basisvariante des modularen Pyrometersystems sind allein, durch geeignete Auswahl des oder der mit Wechsel des oder der Eingangsadapter 2 austauschbaren Schmalbandfilter 10 sowie durch entsprechende Steuerung und Auswertung durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 die Betriebsarten "Spektralpyrometer" und "Quotientenpyrometer" realisierbar, wobei das modulare System statt der gezeigten zwei Kanäle auch noch mehrkanalig durch weitere optische Meßköpfe 6, optische Übertragungs kanäle 7 und Eingangsadapter 2 ergänzt werden kann. Mit der von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 gesteuerten Hilfsstrahlungsquelle 5 zur Bestrahlung des Meßobjektes 17 (in Fig. 1 durch Strahlungseinkopplung in den Übertragungskanal 7 angedeutet) kann dasselbe modulare Pyrometer system zusätzlich als "Absorptionspyrometer" betrieben werden. Die optischen Meßköpfe 6 sind für alle beschriebenen Betriebsarten/Meßverfahren identisch.

Das Sensor-Grundmodul 1 ist in Fig. 1 mit analoger Schaltung angedeutet (vgl. Sensor-Grundmodul 1a in Fig. 2) und besteht für jeden Meßkanal im wesentlichen aus einem Fotoempfänger 11 mit nachgeschaltetem Strom- Spannungs-Wandler 12. Im Ausführungsbeispiel sind prinzipiell sechs solcher zweikanaligen analogen Sensor-Grundmodule 1a an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 (als ein 12-kanaliges Sensormodul) anschließbar.

Fig. 3 zeigt dagegen einen digitalen Sensor-Grundmodul 1b, bei welchem der Ausgang des Fotoempfängers 11 über eine Intergratorschaltung 13 mit einer A/D-Wandlerstufe 14 in Verbindung steht. Im Ausführungsbeispiel können bis zu 16 Meßkanäle zu einem Sensormodul zusammengeschlossen und mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 betrieben werden.

Damit das modulare Pyrometersystem für eine universelle Anwendung ohne weitere Hardwareänderung wahlweise ein analoges Sensormodul oder ein digitales Sensormodul auswerten und steuern kann, besitzt die Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 (wie in Fig. 1 angedeutet) sowohl ein Signalboard 15 für analoge Eingangssignale als auch einen Parallelport 16 zur Verarbeitung von digitalen Eingangssignalen des bzw. der Sensor-Grundmodule 1.

Die optischen Übertragungskanäle 7 sind als Faserbündel ausgeführt, welche hinsichtlich einer Bestrahlung des Meßobjektes 17 durch die Hilfsstrahlungs quelle 5 (Betriebsart "Absorptionspyrometer") unterschiedlich ausgestaltet sein können. In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, in welcher der optische Übertragungskanal 7 (vgl. Fig. 1) durch ein Faserbündel 18 realisiert wird und mit einer Faserbündelankopplung zum optischen Meßkopf 6 als periphere Empfängerfasern 19 endet. Über eine zentrale Sendefaser 20 dieser Faserbündelankopplung (vgl. rechte Schnittdarstellung in Fig. 4) erfolgt gleichzeitig die besagte Bestrahlung des Meßobjektes 17 über ein und denselben Meßkopf 6.

In Fig. 5 ist an den optischen Meßkopf 6, der die Strahlung des Meßobjektes 17 aufnimmt, ausschließlich das Faserbündel 18 angekoppelt. Die zusätzliche Bestrahlung des Meßobjektes 17 erfolgt mittels eines von der Hilfsstrahlungsquelle 5 (nicht in Fig. 5 dargestellt) kommenden Faserbün dels 21 (identisch mit dem Faserbündel 18) sowie über einen separaten Bestrahlungskopf 22 (identisch zum optischen Meßkopf 6).

Mit der Wahl des oder der Eingangsadapter 2 des Sensor-Grundmoduls 1 wird das einzusetzende Meßverfahren (Betriebsart des Pyrometersystems) festgelegt. Der Eingangsadapter 2 ist die optische Schnittstelle für das zwei kanalig dargestellte Sensor-Grundmodul 1. Außerdem nimmt er, wie besagt, die für die Pyrometerarten "Spektralpyrometer" und "Quotientenpyrometer" notwendigen Schmalbandfilter 10 auf. Der zweikanalige Grundaufbau vereinfacht dabei die Nutzung als Quotientenpyrometer.

Mit der schmalbandigen Hilfsstrahlungsquelle 5 wird ein Absorptionsmess verfahren zur Bestimmung des Emissionsgrads realisiert. Um beim wahlweisen Einsatz des Spektralpyrometers und des Quotientenpyrometers über das Absorptionsverfahren auch den Emissionsgrad bestimmen zu können, muß die Mittenwellenlänge der Schmalbandfilter 10 an die als Hilfsstrahlungsquelle 5 üblicherweise einsetzbaren schmalbandigen Strah lungsquellen angepaßt sein (im Ausführungsbeispiel wurde für den Spektralpyrometerbetrieb als Mittenwellenlänge des Schmalbandfilters 10 die Wellenlänge des HeNe-Lasers gewählt). Unter dieser Bedingung kann jeder Eingangsadapter 2 des Sensor-Grundmoduls 1 mit einer geeigneten schmal bandigen Hilfsstrahlungsquelle 5 betrieben und somit ein Absorptions pyrometer realisiert werden.

In Fig. 1 ist der für alle Pyrometerbetriebsarten genutzte zweikanalige Sensor-Grundmodul 1 (vgl. Sensor-Grundmodul 1a in Fig. 2) durch den hochempfindlichen Strom-Spannungs-Wandler 12 charakterisiert. Eine sig nalabhängige automatische Umschaltung der Meßbereiche durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 3 ermöglicht einen Dynamikbereich von 10⁸.

Aus Gründen der reproduzierbaren Meßgenauigkeit werden (ebenfalls gesteuert von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 3) im Sensor-Grund modul 1a der Fotoempfänger 11 sowie Operationsverstärker des Strom- Spannungs-Wandler 12 auf eine gleiche konstante Betriebstemperatur geregelt.

In Fig. 6 wird die Struktur der einheitlichen Meß- und Steuersoftware 4 mit Aufgabenzuordnung für die Betriebsarten "Spektralpyrometer mit und ohne Emissionsgradbestimmung", "Emissionsgradmeßgerät mit Spektralpyrome teranordnung" und "Quotientenpyrometer" dargestellt. Im Ausführungsbeispiel erlaubt das Startfenster der Software neben der Auswahl der beiden Tempe raturmeßverfahren "Spektralpyrometer" und "Quotientenpyrometer" sowie der "Emissionsgradmessung" auch deren Konfiguration. Einstellbar sind u. a. die Meßrate, die Meßwellenlänge, der Transmissionsgrad (bei Änderungen im optischen Kanal), aber auch die Sollgrenzen für die geregelte Betriebstempe ratur und Meßbereiche der Sensormodule. Die Emissionsgradbestimmung ist wahlweise automatisch mit der Temperaturmessung Spektralpyrometer (Spektralpyrometer mit und ohne Emissionsgradbestimmung) oder separat über die im Startmenü gewählte Emissionsgradbestimmung möglich. Die Signalanzeige und die Meßdaten-Protokollierung kann gleichermaßen für alle Betriebsarten erfolgen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

,

1

a,

1

b Sensor-Grundmodul

2

Eingangsadapter (für jeden Kanal)

3

Steuer- und Verarbeitungseinheit

4

Meß- und Steuersoftware

5

Hilfsstrahlungsquelle

6

optischer Meßkopf

7

optischer Übertragungskanal

8

Abbildungsoptik

9

IR-Spiegel

10

Schmalbandfilter

11

Fotoempfänger

12

Strom-Spannungs-Wandler

13

Intergratorschaltung

14

A/D-Wandlerstufe

15

Signalboard

16

Parallelport

17

Meßobjekt

18

,

21

Faserbündel

19

Empfängerfasern

20

Sendefaser

22

Bestrahlungskopf

Claims

1. Pyrometersystem zur berührungslosen Messung der Temperatur und/oder des Emissionsgrades von Objekten, bestehend aus mindestens einem optischen Meßkopf mit zugehörigem optischen Übertragungskanal, vorzugsweise schmalbandigen optischen Durchlaßfiltern, einem Sensor sowie einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein modulares System mit wenigstens einem mehrkanaligen Sensor-Grundmodul (1) sowie einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (3) für das oder die Sensor-Grund module (1) und ggf. zur Steuerung einer Hilfsstrahlungsquelle (5) zur Objekt bestrahlung für die Emissionsgradmessung vorgesehen ist, daß jeder Kanal des Sensor-Grundmoduls (1) jeweils einen austauschbaren Eingangs adapter (2) mit optischem Durchlaßfilter (10) aufweist, an welchen jeweils der optische Meßkopf (6) mit zugehörigem optischen Übertragungskanal (7) angeschlossen werden kann.

2. Pyrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Verarbeitungseinheit (3) eine A/D-Signalwandlerstufe (15) zur Verarbeitung analoger Ausgangssignale des Sensor-Grundmoduls (1) und/ oder einen Parallelport (16) zur Verarbeitung digitaler Ausgangssignale des Sensor-Grundmoduls (1) besitzt.

3. Pyrometersystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor-Grundmodul (1) einen Strom-Spannungs-Wandler (12) als Vorverstärker beinhaltet.

4. Pyrometersystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor-Grundmodul (1) über eine Intergratorschaltung (13) mit nachfolgender AID-Wandlerstufe (14) verfügt.

5. Pyrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung des Meßkopfes (6) mit zugehörigem optischem Übertragungs kanal (7) an das Sensor-Grundmodul (1) über dessen Eingangsadapter (2) jeweils ohne Zwischenschaltung von optischen Abbildungselementen erfolgt.

6. Pyrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Durchlaßfilter (10) in den Eingangsadaptern (2) des Sensor- Grundmoduls (1) sehr schmalbandig ausgeführt sind.

7. Pyrometersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Durchlaßfilter (10) zum Zweck einer asymmetrischen Anpassung an die Strahlungscharakteristik des Meßobjekts und an die Empfänger charakteristik des Sensor-Grundmoduls (1) im langwelligen Bereich zusätzlich geblockt sind.

8. Pyrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem optischen Meßkopf (6) ein IR-Spiegel (9) mit definierter Kantenwellenlänge zum Zweck einer asymmetrischen Anpassung an die Filtercharakteristik der optischen Durchlaßfilter (2) vorgesehen ist.

9. Pyrometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Verarbeitungseinheit (3) eine gemeinsame Meß- und Steuer software 4 für alle Betriebarten des Pyrometersystems einzeln oder in Kombination beinhaltet.