DE2427892C3 - Strahlungspyrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlungspyrometer mit zwei für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge empfindlichen fotoelektrischen Empfängern, die von der vom Meßobjekt ausgehenden Strahlung und von der eines Vergleichsstrahlers beaufschlagt und deren Ausgangssignale einem Quotienlenbildner zugeführt sind.

Für die Messung von Temperaturen sind eine Reihe von Gesamtstrahlungs- bzw. Teilstrahlungspyrometern bekannt, bei denen jedoch vom Funktionsprinzip her das Emissionsvermögen des angemessenen Objekts in die Temperaturmessung mit eingeht. Dies führt besonders bei der Messung der Temperatur von metallischen Oberflächen, die je nach ihrem Zustand sehr unterschiedliche Emissionsvermögen aufweisen können, zu erheblichen Schwierigkeiten. Unabhängig vom Emissionsvermögen des Meßobjekts ist die Messung mit einem objektiven Farbpyrometer mit zwei für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge empfindlichen Fotoempfängern, sofern das Emissionsvermögen des Meßobjekts nicht auch noch wellenlängenabhängig ist. Jedoch ist in Temperaturbereichen unterhalb 800⁰C die Empfindlichkeit eines üblicherweise mit Halbleiter-Fotoempfängern ausgestatteten Farbpyrometers zu gering und damit die Messung zu ungenau.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, ein Strahlungspyrometer zu schaffen, mit dem Temperaturen von Meß-Objekten, insbesondere in einem Meßbereich unterhalb 80Ö°C, unabhängig vom Emissionsvermögen derselben gemessen werden können.

Die Aufgabe kann mit einem Strahlungspyrometer der eingangs genannten Art gelöst werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Vergleichsstrahler im Strahlengang zwischen Meßobjekt und Empfängern angeordnet und mittels einer steuerbaren Stromquelle periodisch aufheizbar ist und ein wenigstens annähernd gleiches Emissionsvermögen wie das Meßobjekt aufweist und daß der Quotientenbildner bei kaltem Vergleichsstrahler mit einem Speicherglied, beim Aufheizen des Vergleichsstrahlers mit einem Vergleichsglied verbindbar ist, an dessen anderem Eingang der Ausgang des Speicherglieds liegt und daß eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Vergleichsstrahlers auf elektrischem Wege bei Gleichheit der Eingangssignale des Vergleichsglieds vorgesehen isu

Aus der US-PS 35 37 314 ist zwar ein Strahlungspyrometer der eingangs genannten Art bekannt, bei diesem werden jedoch Meßstrahlung und Vergleichsstrahlung in zwei parallelen Strahlengängen wechselnd den fotoelektrischen Empfängern zugeführt. Es handelt sich also um eine in der optischen Meßtechnik häufig angewandte Methode um einen Meßwert in Relation zu einem Vergleichswert darzustellen und so mit der Zeit veränderliche Parameter der Meßeinrichtung unwirksam zu machen.

Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Strahlungspyrometer, die ebenfalls Fotoempfänger, Quotientenbildner und Vergleichsstrahler enthaltende Schaltungsanordnung., auf völlig andere Weise betrieben. Der Vergleichsstrahler ist hier direkt im Meß strahlengang angeordnet, so daß bei dem periodischen Aufheizen von dem Farbpyrometer die der additiven Farbmischung entsprechende Farbtemperatur gemessen wird. Das der Temperatur des Meßobjekts proportionale Meßiignal wird jedoch von der Temperatur des Vergleichsstrahlers direkt abgeleitet. Es ist so möglich, auch im unteren, nicht linearen Kennlinicnteil der Halbleiter-Fotoempfänger, also bei Temperaturen unter 800°C ohne besonderen Aufwand noch richtig zu messen.

Ein derart aufgebautes und betriebenes Pyrometer ist somit sowohl im weiten Umfang von der Intensität der Strahlung des Meßobjektes, wie von dessen Emissionsvermögen unabhängig. Bei entsprechender Auslegung des Vergleichsstrahlers und seiner Stromversorgung sind relativ kurze Meßzyklen, die innerhalb der Ansprechzeit der bisher üblichen Anzeigegeräte liegen, möglich.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt; Fig.2 zeigt ein Diagramm, in welchem die Ausgangsgröße des Quotientenbildners über der Temperatur des Vergleichsstrahlers während eines Meßzyklus aufgetragen ist.

Ein Meßobjekt 1, beispielsweise ein Metall mit einer Temperatur, die in dem für die Formgebung wichtigen Temperaturbereich zwischen 700 und 800°C liegt, wird mittels eines Farbpyrometers 2 angemessen, das in bekannter Weise zwei in verschiedenen Welle;.längenbereichen empfindliche Fotoempfänger 3 und 3' aufweist, deren Ausgangsgrößen, ins Verhältnis zueinander ge setzt, ein Maß für die Farbtempenitur des Meßobjekts sind. Die Verhältnisbildung findet in dem Quotientenbildner 4 statt, dessen Ausgangsgröße C? mit Hilfe eines Umschalters 5 auf ein speicherndes Glied 6 oder ein Vergleichsglied 7 geschaltet werden kann. Der zweite Eingang des Vergleichsgliedes 7 ist mit dem Ausgang des Speicherglieds 6 verbunden. In dem optischen Strahlengang des Farbpyrometers 2 ist zwischen dem Meßobjekt 1 und den Empfängern 3 und 3' ein Vergleichsstrahler 8 angeordnet, der die Empfänger 3 und 3' ebenfalls ausleuchtet. Der Vergleichsstrahler 8, vorzugsweise ein Temperaturstrahler, wird aus einer steuerbaren Stromquelle 9 gespeist, die, wie auch der Umschalter 5 mit einem Steuer- und Rechenwerk 10 in Verbindung steht. Der Eingang des Steuer- und Rechenwerks 10 ist mit dem Ausgang des Vergleichsgiieds 7 verbunden, an dem ein Signal auftritt, sobald die bei-

den Eingangssignale des Vergleichsglieds 7 übereinstimmen.

Zur Ausgabe des Meßwerts dient eine digitale Anzeige 11, die ebenfalls von dem Rechenwerk 10 betätigt wird

Ein Meßzykius läuft folgendermaßen ab: Das Meßobjekt 1 wird mittels des Farbpyrometers 2 angemessen und die dem Quotienten C? entsprechende elektrische Größe, in dem Speicherglied 6 abgespeichert. Nach Umschalten des Ausgangs des Quotientenbildners 4 auf den einen Eingang des Vergleichsglieds 7 beginnt die Aufheizung des als Temperaturstrahler ausgebildeten Vergleichsstrahlers 8 durch die steuerbare Stromquelle 9, bis dieser eine Temperatur erreicht hat, die das gleiche Ausgangssignal am Quotientenbildner 4 erzeugt, wie bei der Messung des Meßobjekts 1. Bei Erreichung der Differenz Null im Vergleichsglied 7 gibt dieses ein Signal auf das Steuer- und Rechenwerk 10, welches zu diesem Zeitpunkt eine Messung der Temperatur des Vergleichsstrahlers 8 mittels der Meßeinrichtung 12 veranlaßt und auf der digitalen Anzeige 11 sichtbar werden läßt. Die Messung der Temperatur des Vergleichsstrahlers 8 geschieht wie üblich auf elektrischem Wege, beispielsweise durch Messung des Heizstroms oder durch Messung des Widerstands.

F i g. 2 zeigt den Verlauf der Ausgangsgröße des Quotientenbildners 4 bei einem Meßzyklus, der zum Zeitpunkt ίο beginnen und zum Zeitpunkt ti enden soll. Als gestrichelte Gerade parallel zur Abszisse ist der Quotientenwert dargestellt, welcher der Objekttemperatur 7Ό entspricht und in dem Speicherglied 6 abgespeichert wird. Zum Zeitpunkt ίο kann der Vergleichsstrahler 8 bereits auf etwa 250⁰C vorgeheizt sein, was nach den Strahlungsgesetzen im Vergleich zu dem Bereich zwischen 700 und 800°C, in welchem der Meßwert liegen soll, als kalt anzusehen ist Bei dem nunmehr einsetzenden Aufheizen des Vergleichsstrahlers 8 wird der Quotient Q infolge des höheren Anteils an längerwelliger Strahlung zuerst kleiner, durchläuft ein Minimum und steigt dann wieder an, bis die von der Strahlung des Vergleichsstrahlers 8 und des Meßobjekts 1 erzeugte Strahlung abgebildet durch den Quotienten Q, den gleichen Wert erreicht, wie der gespeicherte.

Die dann zum Zeitpunkt ti gemessene Temperatur 7s des Vergleichsstrahlers 8, hier etwa 720⁰C, entspricht der Temperatur Todes Meßobjekts 1.

1st dieses Meßobjekt 1 ein schwarzer bzw. grauer Strahler, so kann der Vergleichsstrahler 8 eine Glühlampe sein, wie in dem bekannten Glühfadenpyrometer. Weist jedoch das Meßobjekt 1 eine Strahlung mit von der normalen abweichenden Verteilung der spektralen Anteile auf, so kann der Vergleichsstrahler 8 aus einem Material mit der gleichen spektralen Strahlungsverteilung wie das Meßobjekt 1 bestehen, im einfachsten Falle aus demselben Material wie das Meßobjekt 1, beispielsweise aus Kupfer.

Als vorteilhaft ist ferner anzusehen, daß nunmehr auch für die Fotoempfänger 3 und 3' Halbleitermaterialien verwendet werden können, die ihr Empfindlichkeitsmaximum weit im Infraroten haben, wie beispielsweise Germanium, die aber wegen ihrer Instabilitäten bisher wenig zum Einsatz kamen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Strahlungspyrometer mit zwei für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge empfindlichen fotoelektrischen Empfängern, die von der vom Meßobjekt ausgehenden Strahlung und von der eines Vergleichsstrahlers beaufschlagt und deren Ausgangssignal einem Quotientenbildner zugeführt sind, d a durch gekennzeichnet, daß der Vergleichs- ia strahier (8) im Strahlengang zwischen Meßobjekt (1) und Empfängern (3, 3') angeordnet und mittels einer steuerbaren Stromquelle (9) periodisch aufheizbar ist und ein wenigstens annähernd gleiches Emissionsvermögen wie das Meßobjekt (I) aufweist und daß der Quotientenbildner (4) bei kaltem Vergleichsstrahler (8) mit einem Speicherglied (6), beim Aufheizen des Vergleichsstrahlers mit einem Vergleichsglied (7) verbindbar ist. an dessen anderem Eingang der Ausgang des Speicherglieds (6) liegt und daß eine Meßeinrichtung (12) zur Bestimmung der Temperatur (Ti) des Vergleichstrahlers (8) auf elektrischem Wege bei Gleichheit der Eingangssignale des Vergleichsglieds (7) vorgesehen ist.

   25