DE19922278A1

DE19922278A1 - Verfahren zur Bestimmung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades von Objekten

Info

Publication number: DE19922278A1
Application number: DE19922278A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fried; Herbert Schulze; Ingolf Kahleys; Sebastian Nagel; Ralf Schied
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: DE19922278B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades von Objekten, insbesondere zur Nutzung bei pyrometrischen Temperaturmessungen. DOLLAR A Aufgabe ist es, den Emissions- bzw. Absorptionsgrad auf möglichst einfache Weise, insbesondere ohne aufwendige Modulationsmarkierung zur Unterscheidung zwischen direkter und vom Meßobjekt reflektierter Strahlung, zu ermitteln. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Meßobjekt (2) nacheinander oder zeitgleich in mehreren Meßkanälen mit unterschiedlichen Intensitäten (S¶e1¶, S¶e2¶) einer schmalbandigen Strahlungsquelle (3) bestrahlt. Die aus der Reflexions- (S¶r1¶, S¶r2¶) und der Temperaturstrahlung (S¶0¶) des Meßobjektes (2) bestehende Gesamtstrahlung des Objektes (2), wie auch die direkte Strahlung (S¶R1¶, S¶R2¶) der schmalbandigen Strahlungsquelle (3), werden mit einer Sensoranordnung (4) gemessen. Für die Bestrahlung des Meßobjektes (2) können mehrere Strahlungsquellen unterschiedlicher Intensität oder auch ein einziger in seiner Strahlungsleistung veränderbarer Laser eingesetzt werden. Bei der Berechnung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades wird die Differenz der Meßwerte für die unterschiedlichen Strahlungsintensitäten gebildet, wobei sich alle über das Meßintervall konstant bleibenden Fehler sowie auf Grund der voraussetzbaren Temperaturkonstanz auch die Anteile der breitbandigen Temperaturstrahlung (S¶0¶) des Meßobjektes (2) kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Emissionsgrades bzw. des mit diesem im Zusammenhang stehenden Absorptionsgrades von Objekten. Das Verfahren soll insbesondere bei der pyrometrischen Temperaturmessung eingesetzt werden.

Die exakte Temperaturbestimmung mit Strahlungspyrometern geht speziell bei höheren Temperaturen von einem bekannten Emissionsgrad des zu untersuchenden Objektes aus. Bei den bekannt gewordenen Präzisions pyrometern ist deshalb die Lösung des Meßproblems "Emissionsgrad" von besonderer Bedeutung.

Durch Ausbildung von speziell geformten Hohlräumen im Meßobjekt wurde versucht, den Emissionsgrad unabhängig von den Materialeigenschaften auf einen Wert ε → 1 zu bringen.

Beispielsweise wurde bei Gasturbinen zur Temperaturmessung an Gasen ein solcher Hohlraum durch eine Metallschicht auf einem Lichtleiterkopf realisiert (DE-OS 38 12 246).

Im Gegensatz zu diesen früheren Bemühungen der Entwicklung weitgehend Emissionsgrad-unabhängiger Verfahren (wie z. B. auch der Quotienten pyrometer) zeigt die Pyrometerentwicklung in den letzten Jahren einen zunehmenden Trend zur direkten Emissionsgradbestimmung. Dabei wird die Meßprobe in der Regel mit einem Laserspot beleuchtet und der Absorptionsgrad über den Vergleich der eingestrahlten Laserleistung mit der reflektierten Laserleistung bestimmt. Im US-PS 4 313 344 werden der Emissionsgrad und die Temperatur dadurch bestimmt, daß ein modulierter Laserstrahl über einen Lichtwellenleiter auf die Meßobjektoberfläche gerichtet und der vom Objekt reflektierte Anteil auf einen Sensor geleitet wird. Mit einem relativ aufwendigen Lock-In-Verstärker wird gerade die modulierte Strahlung herausgefiltert und der Emissionsgrad aus dem Quotienten aus eingestrahlter Leistung (Referenzsignal) und reflektierter Leistung (moduliertes Meßsignal) bestimmt.

Verbessert wird dieses Modulationsverfahren in der US 4 417 822 und US 4 647 774 durch Schmalbandfilter, die das Meßsignal auf die Laserwel lenlänge beschränken. Diese Patente seien stellvertretend für eine Vielzahl von Lösungen genannt, die alle den Emissionsgrad aufwendig mit Hilfe modulierter Laserstrahlung und Lock-In-Verstärkertechnik bestimmen.

Ein anderer Lösungsweg (z. B. US 5 154 512 oder Neuer, G., Schreiber, E.:
The Laser Absorption Pyrometer for simultaneous Measurment of Surface Temperature and Emissivity, TEMPMEKO'96) ist das Einstrahlen einer modulierten elektromagnetische Strahlung bekannter Leistung. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Meßobjekts. Aus der Temperaturdifferenz kann der Emissionsgrad bestimmt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der benötigten Laserleistung, die gegenwärtig bei kleinen, kompakten Lasern, wie Laserdioden, nicht zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Emissions- bzw. Absorptionsgrad auf möglichst einfache Weise, insbesondere ohne aufwendige Modulationsmarkierung zur Unterscheidung zwischen direkter und vom Meßobjekt reflektierter Strahlung, zu ermitteln. Das Meßprinzip soll in an sich bekannte Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung integrier- bzw. nachrüstbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Strahlung einer schmalbandigen Strahlungsquelle, beispielsweise ein Laserstrahl, mit einer ersten Strahlungsintensität auf das Meßobjekt gerichtet. Die vom Meßobjekt ausgehende Strahlung (reflektierte Strahlung summiert mit der Eigenstrahlung des Meßobjektes) wird, wie auch die direkte Strahlung der schmalbandigen Strahlungsquelle, mit einer Sensoranordnung gemessen. Außerdem wird das Meßobjekt mit mindestens einer weiteren Strahlung derselben oder wenigstens einer weiteren schmalbandigen Strahlungsquelle bestrahlt, deren Strahlungsintensität sich von der Intensität der vorgenannten Bestrahlung unterscheidet. Sowohl die direkte Strahlung als auch die vom Meßobjekt ausgehende Strahlung werden wiederum gemessen. Aus den Meßergebnissen für die unterschiedlichen Strahlungsintensitäten lassen sich durch Differenzbildung der Emissions- bzw. Absorptionsgrad des Meßobjektes bestimmen, wobei sich infolge der Messungen bei verschiedenen Strahlungsintensitäten und der Differenz bildung alle über das Meßintervall konstant bleibenden Fehler sowie auf Grund der voraussetzbaren Temperaturkonstanz auch die Anteile der breitbandigen Temperaturstrahlung des zu messenden Objektes kompen sieren. Eine Markierung der auf das Meßobjekt gerichteten Strahlung, beispielsweise durch Modulation, ist nicht erforderlich.

Die Unteransprüche 2-9 zeigen vorteilhafte Ausführungen des erfindungs gemäßen Verfahrens.

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

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellung zur erfindungsgemäßen Ermittlung des Emis sions- bzw. Absorptionsgrades,

Fig. 2 Meßanordnung mit einer in ihrer Strahlungsintensität veränderbaren schmalbandigen Strahlungsquelle, zwei Sensoren und mit einem speziellen Faserbündel zur Strahlführung von und zu dem Meßobjekt sowie zu den Sensoren.

In Fig. 1 ist das Prinzip zur erfindungsgemäßen Ermittlung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades einer Oberfläche 1 von einem Meßobjekt 2 schema tisch dargestellt. In einem ersten Meßzyklus bestrahlt eine schmalbandige Strahlungsquelle 3 die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 mit einer Meß strahlung S_e1. Von dieser Meßstrahlung S_e1 wird ein Teil als Absorptions strahlung S_a1 vom Meßobjekt 2 aufgenommen. Bei einer vernachlässigbar kleinen Transmission wird der Rest der Meßstrahlung S_e1 von der Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 als Reflexionsstrahlung S_r1 wieder abgegeben. Diese gelangt zusammen mit einer Temperaturstrahlung S₀ des Meßobjektes 2 auf eine Sensoranordnung 4 zur Intensitätsmessung. Gleichzeitig wird die von der Strahlungsquelle 3 unmittelbar ausgesendete Strahlung (direkte Strahlung) als Referenzstrahlung S_R1 ebenfalls mit der Sensoranordnung 4 gemessen und abgespeichert. In einem zweiten Meßzyklus (nach dem ersten Meßzyklus bzw. simultan zu diesem in einem zusätzlichen Meßkanal) wird die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 mit einer Meßstrahlung S_e2 bestrahlt, die eine zum ersten Meßzyklus veränderte Strahlungsleistung aufweist. Diese Meßstrahlung S_e2, die von derselben schmalbandige Strahlungsquelle 3 (oder einer anderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Quelle) ausgesendet wird, gelangt wiederum auf die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2. Ein Teil der Meßstrahlung S_e2 wird als Absorptionsstrahlung S_a2 vom Meßobjekt 2 aufgenommen. Der restliche Teil wird wiederum als Reflexionsstrahlung S_r2 gemeinsam mit der Temperatur strahlung S₀ des Meßobjektes 2 auf die Sensoranordnung 4 geleitet. Gleichzeitig wird die von der Strahlungsquelle 3 (oder der anderen Quelle) unmittelbar ausgesendete Strahlung (direkte Strahlung) als Referenz strahlung S_R2 mit der Sensoranordnung 4 gemessen und abgespeichert. Aus den Meßergebnissen der beiden Meßzyklen mit den unterschiedlichen Strahlungsleistungen wird zur Berechnung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades die Differenz gebildet. Diese Auswertung erfolgt rechentechnisch (nicht in der Zeichnung dargestellt).

Aus den Messungen der Referenzstrahlungen S_R1 und S_R2 sind für die beiden Meßzyklen die unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Meßstrahlun gen S_e1 und S_e2 bekannt. Die dabei von der Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 ausgehende Strahlung wird jeweils als Summenstrahlung (S₀ + S_r1 bzw. S₀ + S_r2) mit einer jeweiligen Gesamtstrahlungsleistung S_G1 bzw. S_G2 gemessen. Bei dem für die Meßzyklen damit bekanntem Intensitätsverhältnis p = S_R1/S_R2 = S_e1/S_e2 sowie unter der Voraussetzung einer zu vernach lässigenden Transmission wird der Absorptionsgrad α des Meßobjektes 2 wie folgt berechnet:

α = 1 - ρ

α = 1 - ΔS_G1,2/ΔS_R1,2

wobei sich ΔS_G1,2 und ΔS_R1,2 durch Differenzbildung der Sensor-Meßwerte für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen ergeben:

ΔS_G1,2 = S_G1 - S_G2

ΔS_R1,2 = S_R1 - S_R2 = S_R1 (1 - ρ).

Bezeichnend ist die Tatsache, daß sich durch die Differenzbildung der beiden Sensor-Meßwerte S_G1 und S_G2 alle über das Meßintervall konstant bleibenden Fehler und durch die voraussetzbare Temperaturkonstanz auch die Anteile der breitbandigen Temperaturstrahlung S₀ kompensieren (in der Regel kann das Meßintervall zum Wechsel und zur Messung der Strahlungsleistung sowie der Differenzbildung gegenüber der Zeitkonstante der üblicherweise trägen Temperaturänderung klein gehalten werden). Der Absorptionsgrad α entspricht deshalb dem spektralen Absorptionsgrad des Meßobjektes 2 für die Wellenlänge der von der Strahlungsquelle 3 ausgesendeten Laserstrahlung und ist nach dem Kirchhoffschen Gesetz dem spektralen Emissionsgrad gleichzusetzen.

Fig. 2 zeigt den Prinzipaufbau einer speziellen Meßanordnung mit der schmalbandigen Strahlungsquelle 3, zwei getrennten Sensoren 5, 6 (anstelle der Sensoranordnung 4 aus Fig. 1) und einem Faserbündel 7 zur Strahl führung von und zu einer am Meßobjekt 2 angeordneten Abbildungsoptik 8 sowie zu den Sensoren 5, 6. Die Strahlungsquelle 3 enthält intern ein in Fig. 2 durch Pfeilsymbol angedeutetes Stellglied 9, um die Strahlungsleistung der emittierten Strahlung für die beiden Meßzyklen verändern zu können. Das Faserbündel 7 besteht aus drei Teilsträngen 10, 11, 12. Über den Teilstrang 10 wird in dem jeweiligen Meßzyklus die Meßstrahlung S_e1 bzw. S_e2 auf die Abbildungsoptik 8 geleitet, von der sie auf die Oberfläche 1 des Meß objektes 2 fokussiert wird. Die von der Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 ausgehende Strahlung (Reflexionsstrahlung S_r1 bzw. S_r2 jeweils summiert mit der Temperaturstrahlung S₀ des Meßobjektes 2, vgl. Fig. 1) wird von der Abbildungsoptik 8 aufgenommen und im Faserbündel 7 über den Teil strang 11 in den Sensor 6 eingekoppelt. Die von der Strahlungsquelle in dem jeweiligen Meßzyklus unmittelbar ausgesendete und jeweils zur Referenz zu messende Strahlung S_R1 bzw. S_R2 gelangt über den Teilstrang 12 des Faserbündels 7 zum Sensor 5. Letztgenannter kann beispielsweise auch eine ohnehin vorhandene Monitordiode einer als schmalbandige Strahlungs quelle 3 eingesetzten Laserdiode sein. Laser- und Monitordiodenstrom stehen damit als Referenzgröße zur Verfügung.

Die Abbildungsoptik 8 kann zusätzlich (in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht dargestellte) Filter zur Begrenzung der Bandbreite der Temperatur enthalten.

Die Meßanordnung gemäß Fig. 2 kann vorteilhaft in an sich bekannte Pyrometer, beispielsweise Spektralpyrometer, zur berührungslosen Tempera turmessung integriert werden.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, als Intensitätsunterschiede in den einzelnen Meßzyklen die bekannten Leistungsschwankungen einer Laserdiode als Strahlungsquelle 3 auszunutzen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Oberfläche

2

Meßobjekt

3

Strahlungsquelle

4

Sensoranordnung

5

,

6

Sensor

7

Faserbündel

8

Abbildungsoptik

9

Stellglied

10

,

11

,

12

Teilstrang des Faserbündels

7

S_e1

, S_e2

Meßstrahlung
S_a1

, S_a2

Absorptionsstrahlung
S_r1

, S_r2

Reflexionsstrahlung an der Oberfläche

1

S_R1

, S_R2

Referenzstrahlung (direkte Strahlung)
S₀

Temperaturstrahlung des Meßobjektes

2

α Absorptionsgrad
p Intensitätsverhältnis

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades von Objekten, insbesondere für pyrometrische Temperaturmessungen, bei dem das zu messende Objekt durch eine schmalbandige Strahlungsquelle bestrahlt wird, deren Strahlung von dem Objekt teilweise absorbiert und der restliche Teil reflektiert wird, bei dem die vom Objekt ausgehende Strahlung als reflektierte Strahlung summiert mit der Temperaturstrahlung des Objektes sowie als Referenz die direkt von der schmalbandigen Strahlungsquelle ausgesendete Strahlung gemessen werden und bei dem der Emissions- bzw. Absorptionsgrad aus dem Quotienten der eingestrahlten und reflektierten Leistungs-Differenz gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer ersten Strahlungsleistung bestrahlt und die direkte sowie die vom Objekt ausgehende Strahlung gemessen werden, daß das Objekt mindestens mit einer zweiten veränderten Strahlungsleistung bestrahlt und ebenfalls die direkte sowie die vom Objekt ausgehende Strahlung gemessen werden und daß der Emissions- bzw. Absorptionsgrad unter Differenzbildung der Meßwerte für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen berechnet wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer in ihrer Strahlungsintensität veränderbaren Strahlungsquelle bestrahlt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine an sich bekannte Laserdiode verwendet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle als veränderte Strahlungs leistung ausgenutzt werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine an sich bekannte Laserdiode verwendet und deren Leistung gesteuert bzw. umgeschaltet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit Strahlungsquellen unterschiedlicher Strahlungsintensität bestrahlt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Strahlung mit einer an sich bekannten Monitordiode der Laserdiode gemessen wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Objektes (2) eine schmalbandige Strahlungsquelle (3) veränderbarer Strahlungsintensität, insbe sondere ein Laser mit einem Stellglied (9) zur Veränderung der Laserleistung, vorhanden ist und daß ein Faserbündel (7) vorgesehen ist, von dem ein Teilstrang (12) die Strahlung von der Strahlungsquelle (3) zu einem Sensor (5), ein Teilstrang (10) die Strahlung von der Strahlungsquelle (3) zu einer Abbildungsoptik (8) für die Fokussierung auf das zu messende Objekt (2) und ein weiterer Teilstrang (11) die von der Abbildungsoptik (8) erfaßte Gesamtstrahlung des Objektes (2) auf denselben (5) oder einen weiteren Sensor (6) leitet.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Objektes (2) mehrere Strahlungsquellen unterschiedlicher Strahlungsleistung, insbesondere Laser unterschiedlicher Intensität, vorgesehen sind, deren korrespondierende Meß-, Auswerte- und Referenzstrahlungen in mehrkanaligen Faserbündeln geleitet werden.