DE2831404A1 - Optisches pyrometer und technik zur temperaturmessung - Google Patents

Description

2B3 i 4 04 3

ι OPTISCHES PYROMETER UND TECHNIK ZUR TEMPEIiATURMESSUNG.

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Pyrometer und die Technik zur Temperaturmessung und insbesondere die Anwendung von zwei Fühlern deren Spektralbereiche derart sind, dass j der Spektralbereich eines Fühlers im Spektralbereich des anderen Fühlers enthalten ist.

j Die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam für

; die Temperaturmessung einer Turbine in einem Düsentriebwerk in [ welchem die Verbrennungsflamme reflektierte Energie erzeugt, : welche die gemessene Temperatur der Turbine nachteilig beeinflusst. Optische Pyrometer sind gut bekannte Messgeräte, welche in der Temperaturmessung typisch oberhalb des Wirkungsbereiches von Thermoelementen oder bei kontaktloser Temperaturmessung benutzt werden. !

Bis jetzt bekannte optische Pyrometer benutzen ein oder zwei ver- '■

anstatt ^! schiedene Wellenlängenbereiche, jedoch wird in diesem System/eines; einfarbigen oder zweifarbigen Pyrometers eine Farbtrenntechnik j benutzt sodass ein Wellenlängenintervall im anderen enthalten ist.

Dort wo in einer Umgebung, wie etwa in einem Düsentrieb- ₍ werk, die Verbrennungsflamme heisser als die Turbinenoberfläche > ist, und zwei ausgewählte Pyrometer mit verschiedenen Wellen- i

909807/0753

-^-it 283H04

längenbereichen benutzt werden, wird jedes Pyrometer- verschieden
durch die reflektierte Energie beeinflusst. Deshalb werden die j Spektralbereiche der beiden Pyrometer so ausgewählt, dass eine ! reflektierende Komponente von den Temperaturunterschieden nach- j gewiesen wird. Wenn beide Pyrometerausgänge gleich sind, liegt j kein Reflexionsfehler vor. Stimmen die beiden Pyrometer jedoch j nicht überein, so können nach der Erfindung diese Ausgänge benutzt werden,um einen Näherungswert der Amplitude des Reflexionsfehlers
zu berechnen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein optisches Tempera-

turmesspyrometer, sowie eine Technik zur Berechnung des durch die
vom Pyrometer aufgenommene reflektierte Energie bewirkten Fehlers
bereitzustellen.

Erfindungsgemäss umfasst ein solches optisches Pyrometer
zwei identische Fühler und mindestens ein Filter, sodass der
Wellenlängenbereich in einem Pyrometerfühler im Wellenlängen- j

bereich des anderen Pyrometerfühlers enthalten ist. \

j Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung !

beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung ist eine schema- ! tische Darstellung des pyrometrischen Systems gegeben.

Obschon diese Erfindung besonders wirksam zur Tempera- j turmessung einer Turbine in einem Gasturbinentriebwerk ist, ist
es selbstverständlich, dass die Erfindung anderweitig verwendet [ werden kann, insbesondere dort wo die reflektierte Energie eine
Quelle beachtlicher Fehler in der Temperaturmessung eines Gegenstandes ist.

Nach der Figur hat das Farbtrennpyrometer zwei Fühler
10 und 12, welche einen einzigen Gegenstand ( etwa ein Turbinenrad, dessen Temperatur gemessen werden soll) parallel durch
eine Linse 14 sehen. Beide Fühler sind identisch und sind vorzugsweise eine Siliziumphotodiode, welche im Spektralbereich von
0,4 Mikron bis 1,2 Mikron anspricht (dieser Spektralbereich hat
eine vernachlässigbare Absorption oder Emission von den heissen
Gasen und Verbrennungsprodukten). Auch liefert der Siliziumphotodiodenfühler ein stabiles Ausgangssignal bei Umgebungstemperatur,
wodurch die Notwendigkeit des Zerhackens des Signals eliminiert

909807/0753

*S 283HÜ4

wird. Die Fühler sind im Handel erhältlich und sind von der Type : mit einem Frequenzverhalten von über 100 Kilohertz. Dies ist
besonders angebracht, weil es die Erstellung einer thermischen
Karte individueller Turbinenschaufeln ermöglicht während diese \

rotieren. '

i Weil das Ausgangssignal ungefähr proportional zur

Potenz 1 durch 10 der Temperatur im Bereich von 649° bis 1373 C
ist, ist das Pyrometer fast vollständig unempfindlich gegen i Aenderungen der Emission der Schaufeln. !

Ein im Handel erhältliches optisches Filter 16 ist i vor einer Diode angeordnet, im vorliegenden Falle die Diode 12,
um die darauffallende Energie optisch zu filtern und ist so aus-, j gewählt, dass es Energie im Spektralbereich von 0,4 bis 0,85 j Mikron durchlässt. Somit wird jede Strahlung oberhalb von 0,85 ' Mikron blokiert. Wie bereits weiter oben gesagt liegt der Spek-

tralbereich des gefilterten Fühlers im Spektralbereich des ungefilterten Fühlers.

Die Energie wird von der Linse 14 zu den Fühlern mit
Hilfe eines in zwei Wege aufaeteilten optischen Faserbündels j oder einer anderen Vorrichtung, welche durch die gestrichelten ■ Linien 20 dargestellt ist, übertragen. Durch Aufspaltung des ', Signals in dieser Weise wird sichergestellt, dass beide Pyrometer j auf den gleichen Gegenstand schauen.

Geeignete Vorverstärkerkreise 22, 24 für jeden Fühler,
welche in einem Gehäuseelement vorgesehen sein können, welche

jeweils die Fühler enthalten, ermöglichen es die Signale zu einer :

ι Anzeige mit minimaler Rauscheinwirkung zu übertragen. Die Anzei- j gen können einen Linearisierungskreis 18 haben, welcher die . Signale in ein Format 1 millivolt pro Grad Celsius umformt und
eine numerische Anzeige der Temperatur machen.

Einzelheiten geeigneter Pyrometer zur Aufnahme der Erfindung sind in dem ASME Papier Nr. 76-HT-74 mit dem Titel
"Pyrometer Temperature Measurements in the Presence of Reflected
Radiation" von W.H.Atkinson und R.R.Strange beschrieben.

Die Ausgange beider Signalverstärker werden einem
Rechner 26 zugeführt,welcher analog oder digital arbeiten kann.

909807/0753

um die durch die reflektierte Energie benötigte Korrekturen in

der unten beschriebenen Art und Weise durchzuführen. Die Berech- j nungen ziehen das Vorhandensein reflektierter Energie in Betracht^ welche beachtlich ist wegen der Verbrennungsflamme, und berech- j nen durch Annäherung die Amplitude der reflektierten Energie- i komponente. Eine Vergleichsvorrichtung 3O vergleicht die Ausgänge¹ beider Verstärker, und wenn sie identisch sind_ygibt sie ein j Signal an eine Anzeige 32, welche anzeigt, dass keine reflektierte Energie vorliegt. j

Die Gesamtenergie_/die von den beiden Pyrometern, welche |

gemessen wird , ι

auf verschiedene Spektralbereiche ansprechen, /kann durch folgende .

Gleichungen dargestellt werden: i

^El =

E₁, + E₁ Ib Ir

E„ - E„,
2 2b

2r

Ib'

E„, die vom Pyrometer gemessene Energie ist, die

von dem Gegenstand infolge seiner Temperatur entlang der geteilten Lichtwege emittiert wird;

ist/
E, , E„ die vom Pyrometer gemessene Energie /welche

von anderen Ouellen ausgeht und von dem Gegenstand in das Pyrometer entlang der gespaltenen Lichtwege reflektiert wird.
Aus dem Planckschen Gesetz folgt:
E_n

Ib

2b

'b

P(t)

^A ie Emission des Gegenstandes bei der Wellenlänge Λ ist,

die Empfindlichkeit des Pyrometers i bei der
Wellenlänge A ist,
die Wellenlänge in Mikron ist,

die Temperatur des Gegenstandes in Grad Rankine
ist,
die monochromatische Emissionsleistuna eines

schwarzen Körpers bei der Temperatur in

2
Kilokalorien pro m pro Stunde pro Mikron ist

909807/0753

Pit) = C₁ λ

-5

C, = 2,34208 χ 10 Kilokalorien χ Mikron pro m pro Std, C₂ = 2,5896 χ 10 °Rankine pro Mikron

■cK>

N irr η

E₁ = Σ y J [ι-ί,(Α )J S₁ (A )R.(A)

Gj (A )P(t.)dA J

^E2r

J ⁼ 1

R.(A) die Emission bei der Wellenlänge Λ des I jten Beiträgers der Reflexion ist;

G.(^ ) ein Glied ist, welches alle geometrischen

Beziehungen bei der Wellenlänge Λ enthält, die zur jten Komponente und der zu messenden : Gegenstandsoberfläche gehören^

; Wenn wir annehmen, dass nur eine Ouelle reflektierter

, Energie vorliegt, welche wesentlich heisser als die Gegenstandsj Oberfläche ist; dann können wir das Glied, welches diese Ouelle j darstellt, vom Rest der N-I Glieder trennen. Wenn wir die i einzelne heissere Ouelle reflektierter Energie abtrennen und die N-I anderen Reflektionsglxeder mit E₁, kombinieren, dann werden die Energiegleichungen

Ref lektionsglieder

Ν"¹ fr -,

Z J [l-^_b(A )J S₁(A)Rj(A)Gj(^ )P(tj)dA

909807/0753

283H04

^N^ /'r η I

2Γ y [_l-*_b(«^:i) J s₂(r* )R. (λ)ο.(λ )P(t.)d* ,

t Wenn wir weiter annehmen, dass diese N-I Reflektions- I

quellen die gleiche Temperatur haben wir die Temperatur der zu ' messenden Gegenstandsoberfläche, ist ihre Wirkung die gleiche wie j das Umhüllen des Gegenstandes mit einem Schwarzkörperhohlraum i bei der Temperatur t = t . Diese Annahme ist für Turbinen geeignet weil die benachbarten Leitschaufeln und Schaufeln sich etwa auf der gleichen Temperatur wie die zu messende Schaufel oder Leitschaufeloberfläche befinden. Dies bringt:

^E Ib-

J S

Die Gesamtenergie, welche auf jedes Pyrometer fällt wird dann:

^Elt ^{= E}'lb

2t ~ " 2b ' ■/ 1 L ^{A c} b ^{y <x} 'J ^S2 ^{( Λ} ' ^Rr ^{( Λ )} I

^E2t ^{= E<}2b ⁺ fi

G_r(l· )P(t_r)dA } j

Wo das Unterscheidungszeichen r die Quelle reflektierter ■

Energie bezeichnet, welche noch betrachtet werden muss.

Wir machen jetzt noch die drei folgenden Annahmen:

1. Im gesamten interessierenden Spektralbereich (S-, (A ) oder S„ (^\. ) φ 0) nehmen wir an, dass der Gegenstand ein grauer Körper ist. D.h. £ , ist keine Funktion von λ .

2. Im gesamten interessierenden Spektralbereich nehmen wir an, dass die Emission der Quelle reflektierter Energie die Natur eines grauen Körpers hat.D.h.¹R ist keine Funktion von A

j 3. Im gesamten interessierenden Spektralbereich nehmen ι wir an, dass keiner der geometrischen Einflüsse mit der Wellen- ! länge ändert. D.h. G ist keine Funktion von Λ .

Diese Annahmen können solange gerechtfertigt werden

909807/0753

-?-$ 283H04

wie der Spektralbereich eines jeden Pyrometers schmal gehalten
wird. Die Energiegleichungen werden dann:

- Γ° · λ -S- ί°° Α rt

E₁

^E2t

= Zs₉(A )p(t.)da + (i-8 )rg /s„

j2 D ο r r r⁷ 2.

C / S₁ (^)P(t )

' Hier (l-£ , )R G ist einfach eine Konstante, sodass C =(l-£,)
ι b r r ' r b

R G ist.
r r

Dann wird

Die Werte von S₁ (A ) und S₀(A) können von der KaIi-

^{1 2} i

brierung beliebiger benutzter optischer Filter und von der , Kenntnis der Spektralempfindlichkeit der Fühler bestimmt werden. ^! Die Gleichungen für E, und E„ enthalten deshalb drei Unbekanntes Die Temperatur des Gegenstandes (t, ) , die Temperatur der Quelle !

' der reflektierten Energie (t ) und die konstante Grosse (C ).
Um eine Lösung für die Gegenstandstemperatur zu erhalten, müssen ■

' wir den Wert für eine der verbleibenden unbekannten annehmen oder j ■ bestimmen.

j C - der konstante Faktor ist ein extrem komplexer

Faktor, welcher von vielen unbekannten Faktoren abhält und wäre , sehr schwer zu berechnen

; t - die Temperatur der Quelle kann in vielen Fällen

• gemessen oder aus der Kenntnis der Quelle geschätzt werden, wie ' ^: das im Falle der Verbrennungsflamme eines Turbinentriebwerkes ist.

. (BEMERKUNG: Wenn man Flammen betrachtet, muss die Spektralkennlinie der Fühler so ausgewählt werden, dass sie keine Linien- \ spektren der Flamme enthalten. Sonst ist die Annahme des Grau- · körpers für die Quelle der reflektierten Energie nicht mehr ! zutreffend.)

Mit der Kenntnis der Temperatur der Quelle der
reflektierten Energie können die Gleichung für E.. und E„.
gelöst werden.

Die Gleichungen für E,. und E_?. sind von transzendenter
Form, sodass vorteilhaft zu ihrer Lösung bekannte Rechner-

909807/0753

-(-ίο 2831AOA

techniken benutzt werden können. Solch eine Technik ist im
ASME Papier 76-HT-74 , siehe oben, beschrieben, welches
geschätzte Korrekturfaktoren enthält, welche die Temperatur für
verschiedene Reflexionswerte und ein Lösungsbeispiel enthält. i

LISTE DER S^VMBOLE j

2
E = Energie in Kilokalorien pro m pro Std. j

£,(<*) = Emission des Gegenstandes bei der Wellenlänge λ j

S.(Λ )= Empfindlichkeit des Pyrometers i bei der Wellenlänge λ i

{\ = Wellenlänge in Mikron j

t, = Gegenstandstemperatur in Grad Rankine

P (t) = monochromatische Emissionsleistung eines schwarzen Körpers

2 !

bei der Temperatur in Kilokalorien pro m pro St. pro

Mikron

fi 4 ?

C₁ = 2,34208 χ 10 Kilokalorien Mikron / _m /Std. ,

C = 2,5896 χ ΙΟ⁴ G rad Rankine Mikron ,

R.(^)= Emission bei der Wellenlänge λ des jten Beiträgers der ;

Reflexion
G . (fl)= Glied, welches alle geometrischen Betrachtungen bei der ; Wellenlänge Λ bezüglich der jten Komponente der reflek- ι tierten Energie und der zu messenden Gegenstandsoberfläche

umfasst,
t. = Temperatur der jten Quelle der reflektierten Energie in I Grad Rankine.

Claims (8)

1. Anwaltsakte: U 611

   PATENTANWÄLTE 1 7. JuH t978

   MENGES & I HAHL

   Eftnrdtetr. 12 D-8000 Manchen 5

   United Technologies Corp., Hartford, Conn., V.St.A. PATENTANSPRUECHE

   IJ Optisches Pyrometer zur Messung der Temperatur eines entfernt angeordneten Gegenstandes_/mit einer Sammellinse für die von dem Gegenstand ausgehende Energie und Mitteln zum Uebertragen der von der Linse gesammelten Energie, gekennzeichnet durch zwei Fühler (10,12) mit identischen Spektralkennlinien, welche mit einem die Uebertragungsvorrichtung bildenden optischen Faserbündel verbunden sind, ein Filter (16) zwischen der Linse und einem der Fühler (12) zur Begrenzung des durchtretenden Spektriilbereiches derart, dass der Wellenbereich in dem vom anderen Fühler (10) gemessenen Wellenbereich liegt, eine auf die Ausgänge der Fühler ansprechende Vergleichsvorrichtung (3O) zur Erzeugung einer Temperaturwertangabe_/ wenn die beiden Λuscτänge der Fühler identisch sind, und eine Rechenvorrichtung (26) ,welche auch auf den Ausgang der Fühler anspricht, um ein Ausganasssignal zu erzeugen, welches das Vorhandensein reflektierter Energie durch Schätzung der Amplitude der Komponente der reflektierten Energie erzeugt.
2. 2. Pyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorrichtung (26) die Vierte der Gegenstandstemperaturen in Uebereinstiirunung mit der Gleichung

   .OO ,OC

   + c / s (A )P(t )dN

   ο- ~ ö^J

   rechnet, in welcher

   S. die Empfindlichkeit des Pyromters i bei der Wellen-

   909807/0753

   ORiQfNAL INSPECTED

   länge A ist, 2831404

   t, die Temperatur des Gegenstandes ist,

   P(t) die monochromatische Emissionsleistung eines schwarzen
   Körpers bei der Temperatur t

   C eine Konstant ist, und

   t eine Schätzung der Temperatur der Quelle der reflektierten

   Energie ist.
3. 3. Pyrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

   Fühler Siliziumphotodioden sind.
4. 4. Pyrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die '

   i Siliziumphotodioden im Bereich von 0,4 bis 1,2 Mikron ansprechen. <
5. 5. Pyrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das |

   Frequenzvernalten der Siliziumphotodioden über 1OO Kilohertz i liegt. j
6. 6. Pyrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es

   Energie im Spektralbereich von O,4 bis 0,85 Mikron durchlässt.

   1-6,
7. 7. Pyrometer nach Anspruch / gekennzeichnet durch Mittel (18) zur;

   Linearisierung des von der Rechenvorrichtung erzeug- j

   ten Ausgangssignales. _;
8. 8. Pyrometer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass _: die Uebertragungsvorrichtung ein optisches Faserbündel ist. ,

   909807/0753