DE19922278B4

DE19922278B4 - Verfahren zur Bestimmung des Emissions- bzw. Absorptionsgrades von Objekten

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Publication number: DE19922278B4
Application number: DE19922278A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing.habil. Fried; Herbert Dr.-Ing. Schulze; Ingolf Dipl.-Ing. Kahleyß; Sebastian Dipl.-Ing. Nagel; Ralf Dipl.-Ing. Schied
Original assignee: VIRTUALFAB TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: VIRTUALFAB TECHNOLOGIE GMBH, 07745 JENA, DE
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: DE19922278A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Emissions- oder des 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 Strahlungsleistung als reflektierte Strahlung summiert mit der Temperaturstrahlung des Objektes sowie als Referenz die direkt von der schmalbandigen Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung gemessen werden und bei dem der Emissions- oder der Absorptionsgrad aus dem Quotienten der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistung und der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer ersten Strahlungsleistung bestrahlt wird und die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen werden, daß das Objekt mit einer zweiten veränderten Strahlungsleistung bestrahlt wird und ebenfalls die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen werden und daß der Emissions- oder der Absorptionsgrad unter Differenzbildung der direkt von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistungen sowie Differenzbildung der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistungen für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Strahlungsquelle berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Emissionsgrades oder 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 Präzisionspyrometern 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 3 812 246 A1 ).

Im Gegensatz zu diesen früheren Bemühungen der Entwicklung weitgehend Emissionsgrad-unabhängiger Verfahren (wie z. B. auch der Quotientenpyrometer) 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. In US 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 Laserwellenlänge 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.

Auch eine speziell auf die Temperaturmessung an Papierkalandern ausgerichtete Veröffentlichung ( GB 2 300 476 A ) bedient sich einer solchen Modulation und Demodulation eines zur Bestimmung des Reflexionsgrades eingesetzten Lasers und beinhaltet damit den angesprochenen hohen verfahrenstechnischen Aufwand.

Darüber hinaus wird in einer speziellen Anordnung zur Temperaturmessung der Erdoberfläche aus der Luft ( US 3,745,830 ) anstelle modulierter Strahlungsquellen ein gepulster Laser (100 Hz) verwendet und die reflektierte Laser Laserleistung über spezielle Hold-Schaltungen bestimmt. Auch diese Anordnung ist entsprechend aufwandintensiv.

Eine bereits in der US 5,154,512 A vorgestellt und in der US 5,769,540 A weiterentwickelte Methode zur Waferprüfung verwendet eine mit Wechselspannung gespeiste Bestrahlungsanordnung zur Erwärmung der Wafer gleichzeitig als sinusmodulierte Strahlungsquelle für die Bestimmung des Reflexionsgrades und des Emissionsgrades der Waferscheiben. Durch die Ofenheizung kann hier auf eine gesonderte Strahlungsquelle verzichtet werden. Allerdings stellt diese Methode kein allgemein einsetzbares Verfahren zur Bestimmung des Emissions- oder des Absorptionsgrades von Objekten dar.

Ein anderer Lösungsweg (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- oder den Absorptionsgrad auf möglichst einfache Weise, insbesondere ohne aufwendige Modulationsmarkierung zur Unterscheidung zwischen der direkt von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlung und der vom zu messenden Objekt reflektierten Strahlung, zu ermitteln.

Das Meßprinzip soll in an sich bekannte Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung integrier- bzw. nachrüstbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das zu messende Objekt durch eine schmalbandige Strahlungsquelle bestrahlt, deren Strahlung von dem Objekt teilweise absorbiert und der restliche Teil reflektiert wird. Dabei werden die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung (reflektierte Strahlung summiert mit der Temperaturstrahlung des Objektes) sowie als Referenz die direkt von der schmalbandigen Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung mit einer Sensoranordnung gemessen. Aus dem Quotienten der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistung und der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistung wird der Emissions- oder der Absorptionsgrad berechnet.

Erfindungsgemäß wird das Objekt mit einer ersten Strahlungsleistung bestrahlt und die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen: Außerdem wird das Objekt mit einer zweiten veränderten Strahlungsleistung bestrahlt, wobei ebenfalls die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen werden. Der Emissions- oder der Absorptionsgrad wird unter Differenzbildung der direkt von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistungen sowie Differenzbildung der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistungen für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Strahlungsquelle berechnet, wobei sich auf Grund der Messungen bei unterschiedlichen Strahlungsleistungen und der besagten Meßwert-Differenzbildungen alle über das Meßintervall konstant bleibenden Fehler sowie bei voraussetzbarer Temperaturkonstanz auch die Anteile der breitbandigen. Temperaturstrahlung des zu messenden Objektes kompensieren. Eine Markierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung, beispielsweise durch Modulation, ist nicht erforderlich.

Die Unteransprüche 2–9 zeigen vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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

Es zeigen:

1: Prinzipdarstellung zur Ermittlung des Emissions- oder des Absorptionsgrades gemas der Erfindung.

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

In 1 ist das Prinzip zur Ermittlung des Emissions- oder des Absorptionsgrades einer Oberfläche 1 von einem Meßobjekt 2 schematisch dargestellt. In einem ersten Meßzyklus bestrahlt eine schmalbandige Strahlungsquelle 3 die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 mit einer Meßstrahlung S_e ₁. Von dieser Meßstrahlung S_e1 wird ein Teil als Absorptionsstrahlung S_a1 vom Meßobjekt 2 aufgenommen. Bei einer vernachlässigbar kleinen Transmission wird der Rest der Meßstrahlung S_e ₁ von der Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 als Reflexionsstrahlung S_r1 wieder abgegeben. Diese gelangt zusammen mit einer Temperaturstrahlung So des Meßobjektes 2 auf eine Sensoranordnung 4 zur Intensitätsmessung. Gleichzeitig wird die von der Strahlungsquelle 3 unmittelbar ausgesendete Strahlungsleistung (direkte Strahlung) als Referenzstrahlung S_R ₁ 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_e ₂ bestrahlt, die eine zum ersten Meßzyklus veränderte Strahlungsleistung aufweist. Diese Meßstrahlung S_e ₂, 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_e ₂ wird als Absorptionsstrahlung S_a ₂ vom Meßobjekt 2 aufgenommen. Der restliche Teil wird wiederum als Reflexionsstrahlung S_r2 gemeinsam mit der Temperaturstrahlung S₀ des Meßobjektes 2 auf die Sensoranordnung 4 geleitet.

Gleichzeitig wird die von der Strahlungsquelle 3 (oder der anderen Quelle) unmittelbar ausgesendete Strahlungsleistung (direkte Strahlung) als Referenzstrahlung S₀ mit der Sensoranordnung 4 gemessen und abgespeichert. Aus den Meßergebnissen der beiden Meßzyklen mit den unterschiedlichen Strahlungsleistungen wird zur Berechnung des Emissions- oder des Absorptionsgrades jeweils die Differenz gebildet. Diese Auswertung erfolgt rechentechnisch (nicht in der Zeichnung dargestellt).

Aus den Messungen der Referenzstrahlungen S_R1 und SR₂ sind für die beiden Meßzyklen die unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Meßstrahlungen S_e ₁ und S_e ₂ 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_R2 / S_R1 = S_e2 / S_e1 sowie unter der Voraussetzung einer zu vernachlässigenden Transmission wird der Absorptionsgrad α des Meßobjektes 2 wie folgt berechnet: α = 1 – ρ α = 1 – Δ SG1,2 / Δ SR1,2 , wobei sich Δ S_G1,2 und Δ S_R1,2 jeweils durch Differenzbildung der Sensor-Meßwerte für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen ergeben: Δ SG1,2 – SG1 – SG2 Δ SR 1, 2 = SR 1 – SR2 = SR1 (1 – p)

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 So 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 ? 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.

2 zeigt den Prinzipaufbau einer speziellen Meßanordnung mit der schmalbandigen Strahlungsquelle 3, zwei getrennten Sensoren 5, 6 (anstelle der Sensoranordnung 4 aus 1) und einem Faserbündel 7 zur Strahlführung von und zu einer am Meßobjekt 2 angeordneten Abbildungsoptik 8 sowie zu den Sensoren 5, 6. Die Strahlungsquelle 3 enthält intern ein in 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_e ₁ bzw. S_e2 auf die Abbildungsoptik 8 geleitet, von der sie auf die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 fokussiert wird. Die von der Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 ausgehende Strahlung (Reflexionsstrahlung S_r ₁ bzw. S_r2 jeweils summiert mit der Temperaturstrahlung So des Meßobjektes 2, vgl. 1) wird von der Abbildungsoptik 8 aufgenommen und im Faserbündel 7 über den Teilstrang 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 Temperaturstrahlung enthalten.

Die Meßanordnung gemäß 2 kann vorteilhaft in an – sich bekannte Pyrometer, beispielsweise Spektralpyrometer, zur berührungslosen Temperaturmessung integriert werden.

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

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_r ₁, S_r2 -: Reflexionsstrahlung an der Oberfläche 1
S_R1, S_R2 -: Referenzstrahlung (direkte Strahlung)
S₀ -: Temperaturstrahlung des Meßobjektes 2
α -: Absorptionsgrad
p -: Intensitätsverhältnis

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Emissions- oder des 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 Strahlungsleistung als reflektierte Strahlung summiert mit der Temperaturstrahlung des Objektes sowie als Referenz die direkt von der schmalbandigen Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung gemessen werden und bei dem der Emissions- oder der Absorptionsgrad aus dem Quotienten der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistung und der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer ersten Strahlungsleistung bestrahlt wird und die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen werden, daß das Objekt mit einer zweiten veränderten Strahlungsleistung bestrahlt wird und ebenfalls die direkt von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlungsleistung sowie die vom Objekt ausgehende Strahlungsleistung gemessen werden und daß der Emissions- oder der Absorptionsgrad unter Differenzbildung der direkt von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlungsleistungen sowie Differenzbildung der vom Objekt ausgehenden Strahlungsleistungen für die unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Strahlungsquelle berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle in ihrer Strahlungsintensität veränderbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Laserdiode verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle als veränderte Strahlungsleistung ausgenutzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Laserdiode verwendet und deren Leistung gesteuert oder umgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit Strahlungsquellen unterschiedlicher Strahlungsintensität bestrahlt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Strahlung mit einer Monitordiode der Laserdiode gemessen wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Objektes (2) 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.
Anordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Objektes (2) mehrere Strahlungsquellen (3) unterschiedlicher Strahlungsleistung, insbesondere Laser unterschiedlicher Intensität, vorgesehen sind, deren korrespondierende Meß-, Auswerte- und Referenzstrahlungen in mehrkanaligen Faserbündeln geleitet werden.