DE3108153C2

DE3108153C2 -

Info

Publication number: DE3108153C2
Application number: DE3108153A
Authority: DE
Inventors: Tohru Kawasaki Jp Iuchi; Kunitoshi Fukuoka Jp Watanabe; Toshihiko Tokai Jp Shibata; Tetsuro Kitakyushu Jp Kawamura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1981-03-04
Publication date: 1987-06-19
Also published as: NL191447C; NL8101049A; NL191447B; US4465382A; GB2074722A; DE3108153A1; GB2074722B; FR2477706B1; FR2477706A1; CA1166037A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächentemperatur und des Emissionsvermögens eines Objekts, beispielsweise einer erwärmten Stahlplatte, deren Emissionsvermögen sich ändert.

Bei der Temperaturmessung durch Strahlungsthermometrie in Industrieöfen stören verschiedene Faktoren die Genauigkeit derartiger Messungen oder machen die übliche Strahlungstemperaturmessung unmöglich. Derartige Faktoren sind etwa die Strahlungsenergie aus der Umgebung oder Hintergrundstörstrahlung, deren Größe gleich oder oberhalb der Strahlungsenergie des zu messenden Gegenstandes ist, die Änderung der Durchlässigkeit der die Meßanordnung für die Strahlungsenergie umgebenden Atmosphäre sowie die Änderung des Emissionsvermögens des zu messenden Gegenstandes. Als Industrieöfen kommen beispielsweise in Frage ein kontinuierlich arbeitender Glüh- oder Temperofen, in dem eine Stahlplatte oder ein anderer Gegenstand erhitzt wird. Die Temperaturmessung durch Strahlungsthermometrie kann ferner an einem Metall bei üblicher Temperatur der umgebenden Atmosphäre durchgeführt werden, wobei die Temperatur durch Nachweis der von dem Metall herrührenden Strahlung gemessen wird. Die dabei auftretenden Störfaktoren entsprechen den oben erwähnten.

Zur Messung der Oberflächentemperatur eines erhitzten Gegenstandes, der sich in Ruhe befindet oder in einem Industrieofen bewegt wird, kann ein Strahlungsthermometer oder Radiometer zur Messung der Temperatur des Gegenstandes in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, ohne daß dieser Gegenstand direkt berührt werden muß. Derartige Einrichtungen werden in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt. In einem Ofen wird die von der Wand oder der Wärmequelle herrührende Strahlungsenergie von dem zu messenden Gegenstand reflektiert und dann von dem Radiometer gemessen; eine derartige Streustrahlung bildet einen erheblichen äußeren Störfaktor. Daher muß diese Streustrahlungsenergie eliminiert werden, da andernfalls eine korrekte Temperaturmessung unmöglich ist. Ferner ist es bekannt, daß bei Änderung des Emissionsvermögens des zu messenden Objekts die strahlungsthermometrische Messung im allgemeinen einen großen Fehler verursacht. Die zwei vorstehenden Probleme bewirken häufig fehlerhafte Strahlungstemperaturmessungen in Öfen. Insbesondere dann, wenn das zu messende Objekt eine dünne oder eine dicke Stahlplatte ist, die sich in einem Glühofen befindet, wird ihre Oberfläche während des Erhitzens im Ofen normalerweise oxidiert, so daß sich das Emissionsvermögen der Stahlplatte mit fortschreitender Oxidation ändert, dadurch ergibt sich ein großer Fehler bei der Strahlungstemperaturmessung. Diese Tatsache macht die Temperaturmessung praktisch unbrauchbar. Die gleiche Situation ergibt sich bei der Strahlungstemperaturmessung eines Metalls mit der Temperatur der umgebenden Atmosphäre. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich das zu messende Objekt (z. B. das Metall) auf etwa Umgebungstemperatur befindet, so daß die Strahlungsenergie von der Oberfläche des Metalls häufig gleich oder unterhalb der Strahlungsenergie der Umgebung liegt.

Wenn ferner die Atmosphäre des Meßsystems Strahlungsenergie in dem Wellenlängenbereich adsorbiert, den das verwendete Radiometer nachweisen kann, und wenn sich die Transmittanz für die Strahlungsenergie durch eine Änderung der Konzentration der Atmosphäre ändert, so treten bei der Strahlungstemperaturmessung ebenfalls große Fehler auf.

Es ist bereits ein Verfahren zum genauen Messen der Temperatur vorgeschlagen worden, bei dem die vorstehenden Probleme bei der Strahlungstemperaturmessung in gewissem Umfang gelöst werden (vgl. die JP-OS 85 078/79). Bei diesem Verfahren werden ein strahlender schwarzer Körper, dessen Temperatur variabel ist, sowie ein Radiometer, das Strahlung aus einem bestimmten Wellenlängenband nachweisen kann, symmetrisch und spiegelartig relativ zur Normalen der erwärmten Oberfläche des Objekts so angeordnet, daß das Radiometer die Strahlung von der erwärmten Objektoberfläche nachweisen kann; dabei wird die Temperatur des strahlenden schwarzen Körpers so geändert, daß er Ausgangswerte entsprechend den Temperaturen erzeugt, die zur Berechnung des Emissionsvermögens des erwärmten Körpers und dann zur Bestimmung von dessen Oberflächentemperatur verwendet werden. Ein wesentliches Merkmal dieses Vorschlags besteht darin, daß die Strahlung einer von dem Radiometer nachzuweisenden Wellenlänge so ausgewählt wird, daß sie von der zu beobachtenden Objektoberfläche spiegelartig reflektiert wird.

Aus der DE-OS 22 62 737 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächentemperatur eines Metallgegenstandes bekannt, bei denen eine Wärmeplatte Wärme zu einem Bereich der Oberfläche des Metallgegenstandes ausstrahlt, welcher sich auf einer beträchtlich niedrigeren Temperatur als derjenige Bereich der Oberfläche des Metallgegenstandes befindet, dessen Temperatur gemessen werden soll. Die von der Wärmeplatte reflektierte Strahlung wird gemessen und zur Berechnung der Oberflächentemperatur des Metallgegenstandes herangezogen. Die zur Berechnung der Oberflächentemperatur verwendete Gleichung gilt allerdings nur dann, wenn die Oberfläche des Metallgegenstandes die auftreffende Strahlung vollständig reflektiert.

Aus der DE-OS 21 53 077 ist ebenfalls ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur eines Objektes bekannt, bei dem zur Berechnung der Oberflächentemperatur die Summe aus der vom Objekt emittierten Strahlung und der von mindestens einer Referenzstrahlungsquelle auf das Objekt geleiteten und von diesem reflektierten Strahlung herangezogen wird. Dieses Verfahren geht aber ebenfalls von einer vollständig reflektierenden Oberfläche des Meßobjekts aus.

Aus der US-PS 34 92 869 ist ein weiteres Verfahren zum Messen der Temperatur der Oberfläche eines Objekts bekannt, bei dem die Temperatur einer Bezugsheizvorrichtung derart gesteuert wird, daß deren Strahlung gleich der des Meßobjekts ist, d. h. es besteht thermisches Gleichgewicht. Eine Berücksichtigung der nicht ideal an der Oberfläche des Meßobjekts reflektierten Strahlung ist aus der US-PS 34 92 869 ebenfalls nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächentemperatur und das Emissionsvermögen eines Objekts auch in denjenigen Fällen mit hoher Genauigkeit zu messen, in denen die zu messende Objektoberfläche rauh oder nicht perfekt spiegelnd ist und/oder die Meßumgebung gasförmige Substanzen, wie CO₂ oder H₂O enthält, die die Transmittanz der Strahlungsenergie herabsetzen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Zwar ist das Auftreten einer diffusen Reflektion bereits beispielsweise aus J. Euler, R. Ludwig, Arbeitsmethoden der optischen Pyrometrie, Verlag G. Braun, Karlsruhe, 1960, Seiten 240 bis 245 bekannt; hierin wird beschrieben, daß das Emissionsvermögen eines Objektes aufgrund der Messung seines Reflektionsvermögens mit Hilfe von Hilfsstrahlern bestimmt werden kann. Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß das zu messende Objekt ein ideal diffuser Strahler bzw. Reflektor ist. Lediglich für diesen Fall gelten die auf den Seiten 240, 241 und 244 angegebenen Gleichungen. Aus dem genannten Zitat von J. Euler und R. Ludwig ist ferner zu entnehmen, daß bei nicht vollständig diffusen Reflektoren das Emissionsvermögen mittels Ulbricht'scher Kugeln und des Transformationskoeffizienten zur Albedo bestimmt werden kann; das auf diese Weise ermittelte Emissionsvermögen gilt aber lediglich für den ganzen Halbraum.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Rechners zur Auswertung der Messung

Fig. 3a und 3b schematische Aufsichten zweier weiterer Ausführungsformen,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 5a und 5b eine perspektivische sowie eine seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Ausführungsform in der Atmosphäre,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem wahren und dem erfindungsgemäß gemessenen Emissionsvermögen,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der wahren und der erfindungsgemäß gemessenen Temperatur,

Fig. 9 eine Seitenansicht des Ofens, in dem die Messung ausgeführt wird,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Experiments zur Bestimmung der Größe der Hintergrundstörung,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Meßwerten p und d Ω,

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Meßwerten p und R _a,

Fig. 13 die Auflösung des mittleren Neigungswinkels R _a,

Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 15a und 15b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Drehsektors,

Fig. 16 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen G und e _R,

Fig. 17 eine Aufsicht mit einem Radiometer und einem schwarzen Strahler, die auf einer wassergekühlten Basisplatte oder Kammer angeordnet sind,

Fig. 18 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäß eingesetzten Rechners,

Fig. 19, 20 und 22 schematische Seitenansichten zur Erläuterung des Strahlenganges, wenn das zu messende Objekt geneigt ist, und

Fig. 21 eine schematische Seitenansicht bei Verwendung einer konkaven, reflektierenden Fläche.

Wenn die Oberfläche eines zu messenden Objekts optisch glatt und flach ist, insbesondere eine perfekt spiegelnde, reflektierende Oberfläche aufweist, so wird die folgende Gleichung erfüllt:

ε(R) + r(R) = 1 (1)

wobei ε(R) = Emissionsvermögen des Objekts in Richtung des Winkels R gegenüber der Normalen N zur Objektoberfläche, r(R) = Reflektivität des Objekts in dieser Richtung.

Das Prinzip dieses Verfahrens wird mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Ein Radiometer 1 sowie ein schwarzer Strahler 2 als Hilfsstrahler sind spiegelbildlich symmetrisch unter einem Winkel R gegenüber der Normalen N zur Oberfläche eines Spiegels angeordnet. Wenn ein zu messendes Objekt 3 auf einer Temperatur T₁ und der schwarze Strahler 2 auf einer Temperatur T₂ ist, so kann die Strahlungsenergie E₂, die vom Radiometer 1 gemessen werden soll, durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben werden:

E₂ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · E _b (T₂) (2)

wobei E _b (T₂) = Strahlungsenergie vom schwarzen Strahler bei der Temperatur T₂.

Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (2) ist die von dem Objekt 3 abgestrahlte Energie, die gemessen werden soll, und der zweite Term ist eine Komponente der Strahlungsenergie E _b (T₂), die von der Oberfläche des Objekts 3 spiegelnd reflektiert wird (die Reflektivität r(R) = 1-e(R)).

Wenn dann die Temperatur des schwarzen Strahlers 2 sich nach T₃ ändert, erhält man den folgenden Meßwert E₃:

E₃ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · E _b (T₃) (3)

Da die beiden Gleichungen (2) und (3) die zu bestimmenden unbekannten Variablen ε(R) und E _b (T₁) enthalten, können sie als simultane Gleichungen bezüglich ε(R) und E _b (T₁) gelöst werden. Subtraktion der Gleichung (3) von der Gleichung (2) auf beiden Seiten führt zu:

E₂-E₃ = {1-ε(R)} · {E _b (T₂)-E _b (T₃} (4)

durch Umordnung der Gleichung (4) erhält man:

Durch Einsetzen der Gleichung (5) in die Gleichung (3) und durch Umordnung erhält man

Aus Gleichung (6) ersieht man, daß die Temperatur T₁ aus den Ausgangscharakteristika des Radiometers 1 ermittelt werden kann. Die vorstehende Theorie ist auf die Fälle anwendbar, bei denen das Objekt 3 eine perfekte spiegelnde reflektierende Oberfläche aufweist. Dieses Verfahren kann gemäß der JP-OS 85 078/79 realisiert werden.

Da jedoch im allgemeinen die Oberflächen eines Objekts eine gewisse Rauhigkeit aufweist, sind die Meßbedingungen nicht ideal. Diese Situation führt dazu, daß die Reflektivität r(R) = 1-ε(R) der Gleichung (1) wegen der diffusen Reflektion kleiner wird als im Idealfall. Wenn daher ein Koeffizient f (0<f<1) verwendet wird, um eine scheinbare Reflektivität

r _f (R) = {1-ε(R)} · f

anstelle von r(R) anzugeben und ordnet man entsprechend die Gleichungen (2) und (3), so erhält man die nachstehenden Gleichungen:

E₂= ε(R) · E _b (T₁) + {1-e(R)} · f · E _b (T₂)-(7)

E₃ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · f · E _b (T₃)-(8)

In diesem Fall ist f der "spiegelnde Reflektionsfaktor", der den Grad der spiegelnden Reflektion wiedergibt. Aus diesen beiden Gleichungen wird das berechnete Emissionsvermögen ermittelt durch

Die Temperatur ergibt sich dann aus dem Ausdruck

Eine erste erfindungsgemäße Erkenntnis besteht darin, daß eine genaue Temperaturmessung leicht durch Einführen des spiegelnden Reflektionsfaktors f durchgeführt werden kann, und zwar selbst bei einer nicht perfekten spiegelnden Reflektionscharakteristik des zu messenden Objekts oder bei rauher Oberfläche für die von dem Radiometer nachweisbaren Wellenlängen.

Wenn bei der Messung auf einer nicht perfekt spiegelnden reflektierenden Oberfläche eine umgebende Wand 4 gemäß Fig. 1 auf einer solch hohen Temperatur ist, daß die dort herrührende Strahlung nicht vernachlässigt werden kann, so muß diese Hintergrundstörstrahlung berücksichtigt werden. Ist T₄ die Temperatur der umgebenden Wand und beträgt deren effektives Emissionsvermögen 1,0, so erhält man aus den Gleichungen (7) und (8):

E₂ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · f · E _b (T₂) + {1-ε(R)} · p · E _b (T₄) (11)

E₃ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · f · E _b (T₃) + -{1-ε(R)} · p · E _b (T₄) (12)

wobei p = Grad der diffusen Reflektion von der zu messenden Oberfläche des Objekts 3 (nachstehend als "diffuser Reflektionsfaktor" bezeichnet). Die dritten Termen der rechten Seite der Gleichungen (11) und (12) geben die von dem Radiometer 1 gemessene Strahlungsenergie wieder, nachdem die Strahlungsenergie E _b (T₄) von der umgebenden Wand 4 an der zu messenden Oberfläche des Objekts 3 diffus reflektiert worden ist.

Es sei angenommen, daß die Beziehung zwischen p und f bestimmt werden soll. Wenn dann
T₁ = T₂ = T₃ = T₄ = T oder wenn das Temperaturmeßsystem sich in perfektem thermischen Gleichgewicht befindet, wird

E _b (T₁) = E _b (T₂) = E _b (T₃) = E _b (T₄) = E _b-(T).

Daher können die Gleichungen (11) und (12) reduziert werden zu

E _b (T) = ε(R) · E _b (T) + {1-ε(R)} · f · E _b -(T) + {1-ε(R)} · p · E _b (T) (13)

Aus Gleichung (13) ergibt sich die nachstehende Beziehung:

f + p = 1 (14)

Durch Einsetzen der Gleichung (14) in die Gleichungen (11) und (12) erhält man

E₂ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R) · (1-p) · E _b (T₂) -+ {1-ε(R)} · p · E _b (T₄) (15)

E₃ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · (1-p) · E _b (T₃) + {1-e(R)} · p · E _b (T₄) (16)

Durch Subtraktion der beiden Gleichungen voneinander und Umordnung erhält man den gleichen Ausdruck wie in Gleichung (9):

Durch Einsetzen von ε(R) in die Gleichung (16) erhält man

Die Gleichungen (17) und (18) zeigen das Prinzip für die erfindungsgemäße Messung. Wenn somit der schwarze Strahler 2 und das Radiometer 1 spiegelsymmetrisch unter Winkeln R gegenüber der Normalen der Oberfläche des zu messenden Objekts 3 angeordnet sind, werden die Messungen in der nachstehenden Weise durchgeführt: Die Strahlungsenergie vom schwarzen Strahler wird nach E _b (T₂) oder E _b (T₃) geändert, und die Summe der Strahlungsenergie

(1-ε(R)) · (1-p) · E _b (T₂) oder (1-ε(R)) · (1-p) · E _b -(T₃),

die von der Oberfläche des Objekts 3 reflektiert wird, die Strahlungsenergie ε(R) · E _b (T₁) von der Oberfläche des Objekts 3 selbst sowie die Störkomponente (1-ε(R)) · p · E _b (T₄) von der umgebenden Wand 4 bei Temperatur T₄ werden mit dem Radiometer 1 gemessen. Dann wird das Emissionsvermögen ε(R) aus der Gleichung (17) unter Verwendung des diffusen Reflektionsfaktors p entsprechend der Oberfläche des Objekts 3 sowie die Temperatur T₁ aus der Gleichung (18) unter Verwendung von e(R) ermittelt.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagram für den Rechenvorgang beim erfindungsgemäßen Verfahren. Für den Betriebsablauf der Anordnung gemäß Fig. 2 muß der schwarze Strahler 2 auf zwei verschiedene Temperaturen T₂ und T₃ getrennt eingestellt werden. Zu diesem Zweck können zwei schwarze Strahler 2′ und 2′′ gemäß Fig. 3a getrennt vorgesehen und auf die Temperatur T₂ bzw. T₃ eingestellt werden; die Strahlungsenergie wird dem einzelnen Radiometer 1 abwechselnd von den beiden Strahlern 2′ und 2′′ zugeführt. Die Fig. 3a zeigt dieses optische System mit zwei Strahlwegen. Die beiden Strahlwege der Strahlungsenergie von den beiden schwarzen Strahlern 2′ und 2′′ schneiden sich an einem Punkt A auf der Oberfläche des zu messenden Objekts, und die beiden Strahlungsflüsse werden von dort reflektiert. Die eine reflektierte Strahlungsenergie wird durch einen Spiegel M₂ auf einen Drehspiegel M₁ reflektiert, während die andere Strahlungsenergie über einen Spiegel M₃ zum Drehspiegel M₁ reflektiert wird, so daß die beiden Strahlungsenergien durch die Drehbewegung des Spiegels M₁ abwechselnd dem Radiometer 1 zugeführt werden. Alternativ kann ohne die Spiegel M₂ und M₃ lediglich der einzelne Drehspiegel M₁ verwendet werden, um das optische System mit zwei Strahlwegen zu realisieren (vgl. Fig. 3b); in diesem Fall müssen jedoch geringfügig unterschiedliche Meßpunkte A′ und A′′ berücksichtigt werden und das Objekt 3 muß sich bewegen oder auf einer gleichförmigen Temperatur sein und ein konstantes Emissionsvermögen über einen bestimmten Flächenbereich aufweisen.

Anstelle der zwei schwarzen Strahler 2′ und 2′′ können gemäß Fig. 4 ein einziger schwarzer Strahler 2 sowie ein Sektor 5 vorgesehen werden, der nahe vor der Öffnung des Strahlers 2 angeordnet ist und mit Hilfe eines Motors MT gedreht wird, so daß man die gleiche Wirkung wie bei dem vorstehend erläuterten optischen System erhält. Der schwarze Strahler 2 wird auf die Temperatur T₂ eingestellt. Die Oberfläche 5-1 des sich drehenden Sektors 5 ist so ausreichend geschwärzt, daß sie jegliche Strahlungsenergie absorbiert, oder eine annähernd schwarze Oberfläche bildet; die Temperatur einer derartigen schwarzen Oberfläche wird wesentlich niedriger gehalten als die Temperaturen T₁ der Oberfläche des Objekts 3 und T₂ des schwarzen Strahlers 2. Daher kann die von dieser Oberfläche herrührende Strahlungsenergie im Vergleich zu E _b (T₁) und E _b (T₂) vernachlässigt werden. Die Öffnungsfläche 2-1 des schwarzen Strahlers 2 wird intermittierend durch den rotierenden Sektor 5 abgedeckt, um abwechselnd zwei verschiedene Strahlungsenergiewerte dem Radiometer 1 zuzuführen, wo diese Werte gemessen werden. Wenn der Meßwert von dem abgedeckten schwarzen Strahler 2 mit E₁ bezeichnet wird, so erhält man die nachstehende Gleichung anstelle der Gleichung (16):

E₁ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-e(R)} · p · E _b (T₄)-(19)

Da der Meßwert E₂ des nicht abgedeckten schwarzen Strahlers 2 durch die Gleichung (15) ausgedrückt wird, erhält man ε(R) aus den Gleichungen (15) und (19) mit

Durch Einsetzen der Gleichung (20) in die Gleichung (19) erhält man

Die Gleichungen (20) und (21) sind einfacher als die Gleichungen (17) und (18). Ferner erhält man in dem optischen System mit zwei Strahlenwegen dieselben Gleichungen, indem man T₃ wesentlich kleiner macht als T₁ und T₂, so daß die Strahlung vernachlässigbar klein ist. Die Anordnungen gemäß den Fig. 3 und 4 sind aus dem JP-GM 1 80 784/79 bekannt. Demgegenüber besteht die Erfindung unter anderem darin, daß der diffuse Reflektionsfaktor p in den Gleichungen berücksichtigt wird, so daß die Oberfläche des zu messenden Objekts nicht perfekt spiegelnd reflektieren muß, so daß praxisgerechte Messungen durchgeführt werden können.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform, wobei die Temperatur und das Emissionsvermögen des erhitzten Objekts in einem Ofen gleichzeitig gemessen werden, und zwar unter Verwendung eines optischen Systems mit zwei Strahlwegen entsprechend Fig. 3b.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden nachstehend mit Bezug auf die Ausführungsform und die experimentellen Ergebnisse erläutert. Fig. 6 zeigt schematisch die Versuchsanordnung in der Atmosphäre ohne Untergrundstrahlung. Gemäß Fig. 6 wird die zu messende Probe 3 von 100 mm Durchmesser auf einem Heizofen 6 erwärmt. Das Radiometer 1 und der schwarze Strahler 2 werden unter einem Winkel von R = 56° gegenüber der Normalen N der Probenoberfläche symmetrisch angeordnet. Der schwarze Strahler 2 ist ein hohler Graphitzylinder mit einem Öffnungsdurchmesser D = 50 mm und der Länge L = 125 mm; die Temperatur T₂ der Innenwand des Graphitzylinders wird mit einer CA-Thermosäule 2-2 (Chromel-Alumel) gemessen, die in der Bodenfläche angeordnet ist. Die gemessene Temperatur T₂ wird mit Hilfe einer PID-Temperatursteuereinrichtung mit einer Genauigkeit von ±1°C auf 368°C gehalten. Der Raumwinkel d Ω, beträgt 0,05 π steradian. Für das Radiometer 1 werden drei verschiedene Meßelemente gemäß der nachstehenden Tabelle verwendet:

Der Versuch wird folgendermaßen durchgeführt. Zunächst wird die Kennkurve jedes Radiometers 1, die die Beziehung zwischen T₂ und E _b (T₂) wiedergibt, gemessen, und dann wird die Temperatur auf 368°C eingestellt. Danach wird jede Probe 2 auf dem Heizofen 6 mit Hilfe einer Heizvorrichtung 7 erhitzt, und die Temperatur jeder Probenoberfläche wird mit Hilfe einer CA-Thermosäule 8 gemessen, die mit der Probenoberfläche 3 punktverschweißt ist. Jede Probenoberfläche wird auf eine beliebige Temperatur T₁ im Bereich von 200 bis 450°C eingestellt. Um das Emissionsvermögen ε(R) bei jeder Temperatur T₁ direkt zu bestimmen, wird ein wassergekühlter Sektor 5′, dessen Oberfläche geschwärzt ist, unmittelbar vor der Öffnung 2-1 des schwarzen Strahlers 2 angeordnet. Daher kann man aus dem von dem Radiometer 1 gemessenen Wert E₁ zu diesem Zeitpunkt das Emissionsvermögen ermitteln: wobei E _b (T₁) ein bekannter Wert ist, da er die Strahlungsenergie vom schwarzen Strahler bei der Temperatur T₁ ist, die von der CA-Thermosäule 8 gemessen worden ist. Die Gleichung (22) gibt das wahre Emissionsvermögen der Probe 3 an.

Der Meßwert E₁ kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

E₁ = ε(R) · E _b (T₁) (23)

Der Meßwert E₂ bei entferntem, geschwärztem, wassergekühltem Sektor 5′ kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

E₂ = ε(R) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · f · E _b (T₂)-(24)

die mit der Gleichung (7) übereinstimmt. Aus den Gleichungen (23) und (24) können das Emissionsvermögen und die Temperatur ermittelt werden:

Die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man abschätzen durch Vergleich der Gleichung (22) für das wahre Emissionsvermögen mit der Gleichung (25) für das erfindungsgemäß ermittelte Emissionsvermögen.

Die nachstehende Tabelle I gibt die Meßergebnisse der Proben eines kaltgewalzten Stahlblechs, eines Edelstahlblechs sowie einer Aluminiumplatte mit rauher Oberfläche wieder, wobei diese Meßergebnisse erfindungsgemäß erhalten wurden. Dabei wurde f in der Weise bestimmt, daß die Werte für das Emissionsvermögen ε(R) aus den Gleichungen (22) und (25) gleich sind, wobei jede Probe auf eine bestimmte Temperatur T₁ gebracht worden ist.

Tabelle I

In Tabelle I werden das Emissionsvermögen und der relative Temperaturfehler durch die Gleichungen (25) und (26) und unter Verwendung des Mittelwerts von f und dessen Variation Δ f ermittelt, und der relative Temperaturfehler wird bei T₁ = 400°C berechnet.
Aus Gleichung (25) erhält man

Die Variation ε(R) = Δε entspricht der Variation Δ f. Logarithmiert man die beiden Seiten der Gleichung (27) und differenziert dann die beiden Seiten, so erhält man

Aus Gleichung (29) ergibt sich, daß der relative Fehler des Emissionsvermögens von dem relativen Fehler von f und dem Wert des Emissionsvermögens selbst abhängt.

Der relative Temperaturfehler Δ T/T₁ kann aus der nachstehenden Gleichung abgeleitet werden:

Durch Einsetzen der Gleichung (29) in die Gleichung (30) erhält man wobei C₂ = 14 388 µm · K

Δε/ε(R) und Δ T/T₁ in Tabelle I erhält man unter Verwendung der Beziehung f = in den Gleichungen (29) und (31) und Einsetzen von ε(R) der Gleichung (22) in die Gleichungen (29) und (30). Aus Tabelle I ergibt sich, daß f für die gleiche Probe sich an 1 annähert, d. h. die Probenoberfläche nähert sich einer spiegelnd reflektierenden Oberfläche mit zunehmender Wellenlänge λ. Ferner nimmt mit zunehmendem λ die relative Variation Δ f/f von f ab. Da das Emissionsvermögen und die erfindungsgemäß ermittelte Temperatur von ε(R) und zusätzlich zu Δ f/f gemäß den Gleichungen (29) und (31) abhängen, ist die Meßgenauigkeit für große Wellenlängen nicht notwendigerweise gut. Aus Tabelle I ergibt sich, daß der relative Fehler für das Emissionsvermögen bei λ = 8 µm minimal ist, während der Relativfehler der Temperatur bei λ = 22 µm minimal ist.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der experimentellen Ergebnisse für die Beziehung zwischen dem Emissionsvermögen (Gleichung (22)), die direkt von der Thermosäule gemessen wird, und dem erfindungsgemäß ermittelten Emissionsvermögen (Gleichung (25)) für mehrere Proben eines kaltgewalzten Stahlbleches bei λ = 2,2 µm. Bei diesem Versuch wurde für f der Mittelwert = 0,92 verwendet. Aus Fig. 7 ergibt sich, daß die beiden Werte für das Emissionsvermögen ähnliche Beträge haben und zwar unabhängig von einer starken Änderung des Emissionsvermögens bei der Bildung eines Oxidfilms auf der Stahlblechoberfläche aufgrund der Erwärmung. Die Fig. 8 zeigt in ähnlicher Weise die Beziehung zwischen der von der Thermosäule angegebenen Temperatur und der erfindungsgemäßen berechneten Temperatur. Der Unterschied zwischen diesen Temperaturwerten liegt weitgehend innerhalb von ±5°C. Aus Tabelle I und den Fig. 7 und 8 ergibt sich, daß für einige Arten von Stahlplatten die Temperatur und das Emissionsvermögen bei konstantem f mit hoher Genauigkeit gleichzeitig gemessen werden können, und zwar auch bei starker Änderung des Emissionsvermögens.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aufgrund der Verwendung der spiegelnden Reflektion in besonderem Maße zur Unterdrückung von Untergrund-Störstrahlung. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich vorteilhaft bei der Temperaturmessung in Öfen. Es wurde ein Simulationsofen aufgestellt; und die Temperatur in dem Ofen wurde experimentell nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen. Die Fig. 9 zeigt schematisch die Versuchsanordnung. Die Innenwand 4 des Simulationsofens besteht aus einer dünnen Stahlplatte und ist kastenförmig ausgebildet. Die gesamte Oberfläche der Innenwand 4 ist mit einer schwarzen Farbe mit einem Emissionsvermögen von 0,95 beschichtet. Die Decke und die Seitenwand zwischen der Innenwand 4 und der Außenwand 4′ weisen drei getrennte Heizvorrichtungen 9 zum Zuführen von Heizenergie zur Innenwand auf. Die Innenwandtemperatur T₄ kann unabhängig durch CA-ummantelte Thermoelemente, die an drei Stellen in der Decke und in der Seitenwand in der Stahloberfläche eingebettet sind, so gesteuert werden, daß diese Temperatur über die gesamte Oberfläche im wesentlichen gleichförmig ist. Die beiden Seitenwände des Ofens sind jeweils mit einer 50 mm breiten und 100 mm langen Öffnung 10 versehen. Durch die eine Öffnung 10 wird der schwarze Strahler 2 eingeführt, während durch die andere Öffnung 10 der Ofeninnenraum 11 mit Hilfe des Radiometers 1 beobachtet wird. Von der Unterseite des Ofens können die Probe 3 und der Probeheizofen 6 in den Ofeninnenraum 11 eingeführt werden. Die Probe 3 kann unabhängig erhitzt werden, und ihre Temperatur wird auf dem Heizofen 6 gesteuert. Darüberhinaus kann die Probe 3 anstelle der Erwärmung von der Unterseite durch Wasserkühlung auf Normaltemperatur gehalten werden. Vor der Öffnungsfläche 2-1 des schwarzen Strahlers 2 ist ein geschwärzter, wassergekühlter Sektor 5 angeordnet, der mit Hilfe des Antriebsmotors 12 die Öffnungsfläche 2-1 periodisch abdeckt.

Wenn in einem derartigen Simulationsofen die Innenwandtemperatur T₄ über die Gesamtfläche gleichförmig ist, kann die Ofeninnenwand 4 bei dieser Temperatur als schwarzer Strahler angesehen werden, was bei der Strahlungsthermometrie in einem Ofen als besonders wesentlich angesehen wird.

Da die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Prinzips durch Versuche in der umgebenden Atmosphäre bestätigt worden ist, wird das Verhältnis der Strahlungsenergie, die von der Innenwand 4 des Ofens abgestrahlt und von der Meßoberfläche 3-1 zum Radiometer 1 reflektiert und dort gemessen wird, d. h. das Verhältnis der Untergrund-Störstrahlung, experimentell quantifiziert.

Gemäß Fig. 10 wird die Innenwandtemperatur T₄ des Simulationsofens so gesteuert, daß sie 390°C erreicht. Die Öffnungsfläche 2-1 des schwarzen Strahlers 2 wird durch den geschwärzten, wassergekühlten Sektor 5′ abgedeckt, und danach wird jede Probe 3 von unten in den Innenraum eingebracht. Da die Unterseite der Probe 3 immer wassergekühlt ist, bleibt die Temperatur der Probenoberfläche in dem Ofen auf Umgebungstemperatur. Bei dieser Bedingung wird die reflektierte Energie E _s mit Hilfe des Radiometers 1 gemessen. Der Hauptteil des Meßwerts E _s gibt Informationen über den Anteil der Strahlungsenergie E _b (T₄), der die Ofeninnenwand 4 verläßt und das Radiometer 1 erreicht, nachdem sie von der Ofeninnenwand 4 als schwarzem Strahler abgestrahlt und auf der zu messenden Oberfläche 3-1 reflektiert worden ist. Daher kann die Größe der Untergrund-Störstrahlung ermittelt werden.

Der Untergrundfaktor π wird folgendermaßen definiert:

E _s = η · E _b (T₄) (32)

η = {1-ε(R)} · p (33

Da das Emissionsvermögen der Probe vorher gemessen worden ist, kann der diffuse Reflektionsfaktor p aus Gleichung (33) errechnet werden.

Bei diesem Experiment betrug R = 67° und der Abstand zwischen dem Meßpunkt und dem Sektor wurde so geändert, daß sich der Raumwinkel d Ω vom Meßpunkt zum geschwärzten, wassergekühlten Sektor 5 ändert.

Die Tabelle II führt die Versuchsergebnisse auf. Als Proben wurden kaltgewalzte Stahlbleche und Edelstahlbleche eingesetzt, deren Emissionsvermögen sich mit fortschreitender Oxidation der Probe ändert.

Tabelle II

Experimentelle Ergebnisse von p und d Ω

Durch Ändern des Abstands Z zwischen dem Meßpunkt der Probe und der Sektorfläche 5-1, erhält man den Raumwinkel d Ω = 2 π {1-cos (tan^-1 D/2 · Z)}, der die Sektorfläche mit dem Durchmesser D erfaßt und für den der Untergrundfaktor η aus Gleichung (32) bestimmt wird. Dieser Faktor η und das Emissionsvermögen ε(R) jeder Probe werden dazu benutzt, um p und dessen Variation Δ p aus Gleichung (33) zu ermitteln. Die Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen p und d Ω. Aus Tabelle II oder aus Fig. 11 ergibt sich, daß sich für jede Probe der Wert p mit zunehmender Wellenlänge λ dem Wert 0 nähert, d. h. die Oberfläche der Probe nähert sich einer spiegelnd reflektierenden Oberfläche. Ferner verkleinert der diffuse Teil der Reflektion den Wert p mit zunehmendem d Ω. Die Beziehung zwischen p und f wird durch Gleichung (14) gegeben. Der Meßwert f in Tabelle I ist ebenfalls in Tabelle II aufgeführt. Aus den Tabellen I und II ergibt sich, daß die Beziehung zwischen p und f die Gleichung (14) erfüllt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in dem Ofen anwendbar.

Nachstehend wird das Verfahren zur Bestimmung der Öffnungsgröße des schwarzen Strahlers erläutert.

Sowohl in Atmosphäre als auch in einem Ofen ergibt sich das Emissionsvermögen aus Gleichung (20). Der Fehler der Temperaturmessung für die Atmosphäre ergibt sich aus Gleichung (31). Daher kann in der Atmosphäre grundsätzlich nur die Gleichung (29) in der die Variation von f der Probe durch die Variation des Emissionsvermögens ε(R) ersetzt werden kann, zur Analyse des Fehlers ausgenutzt werden. Beim Ofen müssen sowohl die Variation des Emissionsvermögens aufgrund der Änderung von p als auch die Variation der Innenwandtemperatur T₄ des Ofens berücksichtigt werden. In welchem Umfang der Raumwinkel d aus Toleranzgründen berücksichtigt werden soll, wird nachstehend erläutert.

Wenn die scheinbare Meßtemperatur T _a ist, erhält man aus Gleichung (19):

Der Variationsbereich von ε(R) wird experimentell bestimmt, und das Minimum von ε(R)wird als e(R) = ε _min bezeichnet. Dieses ε _min wird in Gleichung (33) eingesetzt und man erhält

h = {1-ε(R)} · p (1-ε _min) · p (35)

Durch Einsetzen der Gleichung (35) in die Gleichung (34) und Anwendung der Wien'schen Formel

E _b (T) = C₁ · λ ^-5 · exp (-C₂/λ T)

erhält man

Wenn nun der zulässige Temperaturmeßfehler Δ T _a kleiner oder gleich T _a-T₁°C (Δ T _a T _a-T₁°C) ist, so wird die linke Seite in Gleichung (36)

Aus den Gleichungen (37) und (36) erhält man die maximale Toleranz p _max für den diffusen Reflektionsfaktor p

Bei Eingabe bestimmter Werte T₁ und T₄ im Temperaturmeßbereich und für λ in Gleichung (38) erhält man den Wert p _max für den Temperaturmeßfehler innerhalb ±Δ T _a/2°C. Dann kann der Raumwinkel d Ω _max für p = p _max aus Fig. 11 ermittelt werden.

Spezifische Berechnungen für kaltgewalztes Stahlblech und Edelstahlblech wird nachstehend erläutert.

Die Tabelle III führt die Werte p _max und d Ω _max auf, die zum Einschränken von Δ T _a auf innerhalb 10°C bei T₁ = 700°C und T₄ = 600, 700 und 800°C erforderlich sind. Aus Fig. 11 ergibt sich, daß mit zunehmendem λ der Wert p abnimmt, so daß die Untergrund-Störstrahlung proportional hierzu abnimmt. Der Wert d Ω _max, der zum Einschränken auf den gleichen Temperaturmeßfehler Δ T _a erforderlich ist, wird gemäß Tabelle III mit abnehmendem λ kleiner. Die Möglichkeit der Verringerung von d Ω _max ist in technischer Hinsicht außerordentlich bedeutsam. Für Edelstahlbleche kann der Raumwinkel sehr klein gemacht werden.

Nachstehend wird das Verfahren zur Bestimmung von p bei rauher Oberfläche des zu messenden Objekts erläutert. p gibt den Grad der diffusen Reflektion in Richtung der Winkel gegenüber der Normalen der Probenoberfläche an. Daher kann davon ausgegangen werden, daß zwischen p und einem mittleren Neigungswinkel R _a, der die Oberflächenrauhigkeit der Probenoberfläche wiedergibt, eine Korrelation besteht. Die Beziehung zwischen p und R _a für d Ω = 0,2 π steradian aus den Ergebnissen der Tabelle II ist in Fig. 12 dargestellt.

Tabelle III

Berechnete Ergebnisse von p _max und d Ω _max, die für die Ermittlung des Temperaturmeßfehlers innerhalb ±5°C erforderlich sind.

Falls der Neigungswinkel R _c der aufgerauhten Oberfläche durch dz/dx ausgedrückt wird, so wird R _a gemäß Fig. 13 definiert. Mit den Mittellinien von

Wenn in dem Ofen ein Raumwinkel, der für die Oberflächenrauhigkeit der Probenoberfläche erforderlich ist, bestimmt wird, und die Größe der Öffnung des schwarzen Strahlers und der Abstand Z zur zu messenden Oberfläche festgelegt werden, können die Temperatur und das Emissionsvermögen mit einer vorgegebenen Genauigkeit gemessen werden. Wenn in diesem Fall die Form des zu messenden Objekts und die Formänderung aufgrund des Transports oder der Erwärmung berücksichtigt werden, so kann die Meßgenauigkeit verbessert werden.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Messung der Temperatur und das Emissionsvermögens sind insbesondere bei solchen Objekten vorteilhaft, bei denen die zu messende Oberfläche im allgemeinen rauh ist und nicht spiegelnde, reflektierende Eigenschaften aufweist. Da ferner die Untergrund-Störstrahlung gleichzeitig eliminiert werden kann, kann die Temperatur der Stahlbleche in dem Ofen auch dann sehr genau gemessen werden, wenn sich das Emissionsvermögen mit fortschreitender Oxidation stark ändert.

In letzter Zeit sind Fortschritte beim Bau neuer kontinuierlich arbeitender Glühöfen gemacht worden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Öfen wird bei den neuen Öfen besonders auf Energieeinsparung geachtet, um durch Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades die Energiekosten zu verringern. Zu diesem Zweck wird anstelle von Reduziergasen ein Schnellheizsystem mit direkt heizenden Brennern verwendet. Der Ofen mit einem derartigen Heizsystem wird als NOF (nicht oxidierender Ofen) bezeichnet. Das Stahlblech oder die Stahlplatte in dem Ofen wird jedoch durch die schwach oxidierende Atmosphäre in dem Ofen während des Durchlaufs weiter oxidiert, so daß sich das Emissionsvermögen in erheblichem Maße ändert. Die vorliegende Erfindung löst die beiden Probleme hinsichtlich der Untergrund-Störstrahlung und dem Emissionsvermögen und kann daher in besonders vorteilhafter Weise zur Temperaturmessung in dem NOF-Ofen eingesetzt werden. Da ferner in diesem NOF-Ofen eine geringe Menge an nicht verbranntem Sauerstoff (O₂) zu einer problematischen Oxidfilmbildung auf der Stahlplatte führt, ergibt die Messung des Emissionsvermögens einen wesentlichen Hinweis auf den Oxidfilm oder auf die Oxidationsbedingungen.

Selbst wenn erfindungsgemäß sich in dem optischen Weg des Meßsystems Atmosphäre oder ein Dichtungsglasfilter befinden, können durch Messen von deren Transmittanz genaue Temperaturmessungen durchgeführt werden. Wenn beispielsweise in den Gleichungen (15) und (16) die vom Radiometer gemessenen Energien E₂ und E₃ mit einem Transmittanzfaktor K (0<K<1) absorbiert werden, so erhält man die nachstehenden Gleichungen entsprechend den Gleichungen (15) und (16):

E₂/K = ε(R) · E _b (T₁) + {1-e(R)} · (1-p) · E _b -(T₂) + {1-ε(R)} · p · E _b (T₄) (41)

E₃/K = ε(R ) · E _b (T₁) + {1-ε(R)} · (1-p) · E _b- (T₃) + {1-ε(R)} · p · E _b (T₄) (42)

Aus den Gleichungen (41) und (42) erhält man das Emissionsvermögen mit

Durch Einsetzen von ε(R) in die Gleichung (42) erhält man

Wenn sich K ändert, wird die Strahlungsenergie von den schwarzen Strahlern oder einem zusätzlichen, dritten, schwarzen Referenzstrahler direkt über einen konstanten optischen Weg und nicht über die zu messende Oberfläche des Gegenstandes nachgewiesen, und zwar entweder durch das Radiometer oder durch ein zweites zusätzliches Radiometer. Daher wird K durch Ändern des Meßwertes ermittelt und in die Gleichungen (43) und (44) eingesetzt, aus denen dann ε(R) und die Temperatur T₁ mit hoher Genauigkeit unabhängig von der Änderung des Wertes K ermittelt werden können.

Die Auswahl geeigneter Umgebungsbedingungen, unter denen die Versuchsanordnung gehalten wird, verhindert eine Änderung des Transmittanzfaktors K aufgrund von Absorptionen der Strahlungsenergie in der Atmosphäre. Zu diesem Zweck wird ein für die verwendete Wellenlänge durchlässiges Gas (z. B. ein Inertgas) in den optischen Weg eingeleitet. Dies ermöglicht einen stabilen Faktor K selbst in der Atmosphäre, wo sich der Faktor K stark ändern kann, so daß man genaue Messungen erhält.

Bisher bezog sich die Erläuterung der Erfindung hauptsächlich auf das Verfahren unter Verwendung eines oder mehrerer schwarzer Strahler, im Rahmen der Erfindung ist jedoch ein derartiger schwarzer Strahler nicht unbedingt erforderlich, sondern die gleiche Wirkung kann man unter Verwendung einer reflektierenden Oberfläche, beispielsweise einem ebenen Spiegel, erzielen. Das sich hieraus ergebende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nachstehend näher erläutert.

Gemäß Fig. 14 ist ein Objekt 10 vorgesehen, dessen Temperatur gemessen werden soll; ferner sind eine reflektierende Oberfläche 12, ein rotierender Sektor 14, sowie ein Radiometer 16 vorgesehen. Das Objekt 10 ist beispielsweise ein sich in den Ofen bewegendes erhitztes Stahlband. In diesem Fall befinden sich die reflektierende Oberfläche 12 und der rotierende Sektor 14 außerhalb des Ofens, und das Objekt 10 kann durch ein Fenster 18 beobachtet werden. Das Radiometer 16 ist ebenfalls außerhalb des Ofens angeordnet. Die reflektierende Oberfläche 12 und das Radiometer 16 sind symmetrisch unter Winkeln R gegenüber der Normalen N-O der Objektoberfläche angeordnet. Die reflektierende Oberfläche 12 ist eine ebene Fläche senkrecht zur Geraden, die den Punkt O mit der reflektierenden Fläche verbindet. Dadurch erhält man den folgenden Strahlungsweg. Das Objekt 10 mit der Temperatur T sendet eine Strahlung ε(R) · E _b (T) in praktisch alle Richtungen aus, wobei ε(R) das Emissionsvermögen in R-Richtung ist. Die direkt zum Radiometer 16 emittierte Strahlung ε(R) · E _b (T) tritt in das Radiometer 16 ein, und die zur reflektierenden Oberfläche 12 gerichtete Strahlung wird dort reflektiert und dann spiegelnd von der Objektoberfläche am Punkt O in das Radiometer 16 reflektiert. Vor der Oberfläche 12 auf der Seite des Objekts 10 ist der rotierende Sektor 14 angeordnet, der ein Blatt 14 a als absorbierende Oberfläche für die Strahlung gemäß Fig. 15a aufweist; zwischen den Blättern des Sektors ist ein Zwischenraum 14 b definiert. Der Sektor 14 wird durch einen Motor in Drehung versetzt, um die Strahlung von dem Objekt 10 zu absorbieren und die Strahlung von der reflektierenden Oberfläche 12 zu unterbrechen, wenn ein Blatt 14 a die Linie 12-O schneidet. Da die reflektierende Oberfläche 12 und der drehbare Sektor 14 auf einer Temperatur gehalten werden, die ausreichend niedriger ist als die des Objekts 10, beispielsweise durch Wasserkühlung im Innern, kann die davon herrührende Strahlungsenergie vernachlässigt werden. Wenn der Sektor 14 die Strahlung absorbiert und unterbricht, tritt lediglich die vom Objekt 10 herrührende Strahlungsenergie in das Radiometer 16 ein. Daher kann die von der Ofenwand reflektierte Strahlungsenergie von der Objektoberfläche in das Radiometer 16 reflektiert werden, jedoch wird die möglicherweise reflektierte Energie durch den Sektor 14 unterbrochen, so daß sie nicht in das Radiometer 16 eintreten kann. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Strahlungsthermometrie mit spiegelnder Reflektion. Diese Eigenschaften bei spiegelnder Reflektion werden um so wirksamer, je größer der Winkel R ist. Wegen dieser Bedingungen der in das Radiometer 16 eintretender Strahlungsenergie sind die nachstehenden Beziehungen erfüllt:

E₁ = τ · ε(R) · E _b (T) (45)

E₂ = t · [ε(R) · E _b (T) + γ _a · τ² · e(R) (1-εR-) · (1-p) · E _b (T)] (46)

wobei E₁ und E₂ = vom Radiometer 16 gemessene Energien bei Abschirmung durch den Sektor 14 bzw. ohne derartige Abschirmung

τ = Transmittanzfaktor eines Filters, z. B. des Fensters 18 in der Wand des Ofens,
γ _a = effektiver Reflektionsfaktor des Spiegels 12,
p = diffuser Reflektionsfaktor der Objektoberfläche.

Aus den Gleichungen (45) und (46) erhält man die nachstehenden Beziehungen: Aus Gleichung (45) ergibt sich

Aus den Gleichungen (48) und (49) werden das Emissionsvermögen ε(R) und die Temperatur des Objekts bestimmt. Bei dieser Temperatur werden G oder E₂/E₁ tatsächlich gemessen, und oder werden als konstant angesehen. γ _a und τ werden durch genaue Steuerung konstant gehalten. p ist der diffuse Reflektionsfaktor des zu messenden Objekts, und daher ist es schwierig, jedesmal das Emissionsvermögen und die Temperatur des Objekts zu messen. Daher wird p vorher gemessen, und der erhaltene Wert wird für die nachfolgenden Messungen verwendet. Um daher dieses Meßverfahren mit geringem Fehler durchzuführen, dürfen die Meßwerte nicht stark von den erwarteten Werten abweichen. Falls C konstant ist, wird die Beziehung zwischen dem Emissionsvermögen ε(R) und G linear (vgl. Fig. 16).

Falls das zu messende Objekt ein in einem Ofen erhitzter Gegenstand ist, werden ein Radiometer 16 und eine reflektierende Oberfläche 12 auf einer flachen, wassergekühlten Kammer oder Basisplatte 17 angeordnet (vgl. Fig. 17), die in der Ofenwand derart eingebettet ist, daß sie zu dem zu messenden Gegenstand weist. Aufgrund dieser Konstruktion kann Streustrahlung (Untergrund-Störstrahlung), die von der umgebenden Ofenwand herrührt, abgeschirmt werden, und ferner kann die von der wassergekühlten Kammer selbst herrührende Strahlung vernachlässigt werden; daher können die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewendet werden.

Die Fig. 18 zeigt eine arithmetische Einheit, z. B. einen Rechner, zum Berechnen von ε(R) und E _b (T). Das Ausgangssignal des Radiometers 16 wird durch Taktsignale Φ₁ und Φ₂, die mit der Drehbewegung des Sektors 14 synchronisiert sind, als E₁ und E₂ aufgetastet, die dann einem Dividierschaltkreis 22 zugeführt werden, um G oder E₂/E₁ zu erzeugen. Ein Standardgenerator 34 erzeugt ferner eine Konstante C und führt diese einem Multiplizierer 26 zu, wo C (G-1) erzeugt wird. In einem Subtrahierschaltkreis 28 wird C (G-1) von der Konstanten 1 subtrahiert, so daß man 1-C (G-1) oder das Emissionsvermögen ε(R) des Objekts erhält. Ferner erzeugt der Standardgenerator 34 den Transmittanzfaktor τ und führt diesen einem Multiplizierer 30 zu, wo τ · ε(R) erzeugt wird. Dieser Wert τ · ε(R) wird einem Dividierschaltkreis 32 zugeführt, wo erzeugt wird. Danach wird die Temperatur T des Objekts durch den Strahlungsenergie/Temperatur- Wandler 36 bestimmt.

Wenn das Objekt 10 ein Streifen oder ein Band ist, das in den Ofen transportiert wird, so wird die Oberfläche des Objekts zeitweise auf- und abbewegt oder geneigt, und in einigen Fällen gelangt die spiegelnd an der Objektoberfläche reflektierte Strahlungsenergie nicht zu dem Radiometer. Um dies zu verhindern, muß die reflektierende Oberfläche (oder der Spiegel) eine vorgegebene Breite als ebene Fläche oder Spiegel aufweisen. Dies wird beispielsweise mit Bezug auf Fig. 19 erläutert. Wenn das Objekt 10 um einen Winkel ψ geneigt wird, weicht der Strahl, der die Oberfläche O des Objekts 10 die Mitte 12 a des Spiegels 12 und erneut die Oberfläche O des Objekts zum Radiometer 16 passiert hat, von letztem in der in der Figur gestrichelt eingezeichneten Weise ab. Der von einem Punkt 10 a des Objekts 10 abgegebene Strahl erreicht das Radiometer 16 gemäß den mit Pfeilen versehenen durchgezogenen Linien. Daher kann die Breite des Spiegels 12 entsprechend der obigen Beziehung ermittelt werden. Da insbesondere die Länge und der Winkel die nachstehende Beziehung aufweisen:

kann die Größe der reflektierenden Oberfläche so bestimmt werden, daß der Wert a für den vorgegebenen Maximalwert von ψ existiert.

Eine diffus reflektierende Oberfläche 12′′ gemäß Fig. 20 ist ebenfalls erfindungsgemäß vorteilhaft und zwar insbesondere dann, wenn das zu messende Objekt stark geneigt ist.

Dies ergibt sich gemäß Fig. 20 daraus, weil eine diffus reflektierende Oberfläche 12′′ aus allen Richtungen einfallende Strahlung reflektiert; daher gibt es immer eine Strahlungskomponente, die am Meßpunkt 0 auf der Oberfläche des Objekts 10 zum Radiometer 16 reflektiert wird, und zwar selbst dann, wenn die Oberfläche des Objekts 10 stark geneigt ist. Daher kann eine derart diffus reflektierende Oberfläche besonders vorteilhaft unter den Betriebsbedingungen eingesetzt werden, bei denen das zu messende Objekt unerwünschten Vibrationen und/oder einer Schrägstellung ausgesetzt ist.

Die Verwendung eines konkaven Spiegels oder einer konkaven, reflektierenden Oberfläche anstelle der ebenen reflektierenden Oberfläche ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verringerung der Größe einer Öffnung in der Ofenwand, durch die die Strahlung hindurchtritt.

Wenn gemäß Fig. 21 das zu messende Objekt 10 in einen Ofen eingebracht wird und ein konkaver Spiegel 12′ außerhalb angeordnet ist, so kann die Öffnung 8′ der Ofenwand relativ klein ausgebildet werden, da die Strahlung auf den Punkt O auf der Oberfläche des Objekts 10 fokussiert wird.

Die Fig. 22 zeigt einen reflektierenden Hohlraumspiegel. Wenn das Objekt 10 um einen Winkel ψ geneigt wird, so treten gemäß den mit Pfeilen versehenen Geraden Mehrfachreflektionen auf, und daher kann sich der wirksame Reflektionsfaktor γ _a ändern. Daher eignet sich ein ebener Spiegel als reflektierende Oberfläche ganz besonders.

Der rotierende Sektor 14 kann als rotierende Scheibe ausgebildet sein, die eine reflektierende Oberfläche 14 c und eine absorbierende Oberfläche 14 a für die Strahlung aufweist (vgl. Fig. 15b). In diesem Fall dient die reflektierende Oberfläche 14 c gleichzeitig als reflektierender Spiegel 12. Die absorbierende Oberfläche 14 a kann ein Luftspalt (oder Hohlraum) sein. In einigen Fällen ist das Radiometer 16 in Form eines Abtast-Radiometers ausgebildet, wobei die absorbierende Oberfläche in der Nähe des reflektierenden Spiegels 12 so angeordnet ist, daß das Radiometer 16 abwechselnd den reflektierenden Spiegel und die absorbierende Oberfläche abtastet. In diesem Fall ist der rotierende Sektor nicht erforderlich.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das Radiometer und der schwarze Strahler symmetrisch und spiegelnd bezüglich der Normalen der zu messenden Oberfläche angeordnet, und zwei verschiedene Werte von Strahlungsenergie werden abwechselnd vom schwarzen Strahler zur zu messenden Oberfläche emittiert, um dadurch die Temperatur und das Emissionsvermögen des zu untersuchenden Objekts zu messen; in diesem Fall wird der diffuse Reflektionsfaktor p eingeführt, der ursprünglich lediglich bei einer perfekt spiegelnden reflektierenden Oberfläche berücksichtigt wird. Dadurch können auch Gegenstände mit nicht perfekt und diffus reflektierenden Oberflächen untersucht werden.

Die vorliegende Erfindung klärt die enge Beziehung zwischen p und der Rauhigkeit der zu messenden Oberfläche und gibt ein Meßverfahren beruhend auf der Beziehung zwischen p und der nachzuweisenden Wellenlänge und dem Raumwinkel an, der sich von der zu messenden Oberfläche zum Öffnungsdurchmesser des schwarzen Strahlers erstreckt; ferner wird eine Gegenmessung gegen die Veränderung des Transmittanzfaktors K und damit eine völlig neue Temperaturmessung ermöglicht.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise eine Strahlungstemperaturmessung ohne Verwendung des schwarzen Strahlers durch spiegelnde Reflektion mit Eigenbezugswert vorgenommen werden. Diese Temperaturmessung ist insbesondere zur Messung der Temperatur eines Objekts in einem Ofen geeignet, kann jedoch auch bei anderen Anwendungen vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) eines Meßobjekts (3, 10) wobei ein Radiometer (1) und mindestens ein Hilfsstrahler (2) symmetrisch zu einer Normalen (N) bezüglich der Oberfläche des Meßobjekts (3, 10) angeordnet sind und von dem Hilfsstrahler (2) bei zwei bestimmten Temperaturen (T₂, T₃) zwei verschiedene Strahlungsenergiewerte (E _b (T₂), E _b (T₃)) emittiert werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß die von der Oberfläche des Meßobjekts (3; 10) bei beiden Temperaturen reflektierte Strahlungsenergie und die Strahlungsenergie der von der Oberfläche des Meßobjekts (3; 10) selbst ausgehenden Strahlung gemessen werden,
- daß der Reflektionsfaktor (p) ermittelt wird, der den Anteil der nicht spiegelnd an der Objektoberfläche reflektierten Strahlung angibt, und
- daß daraus die Oberflächentemperatur (T₁) und das Emissionsvermögen (ε) des Meßobjekts (3, 10) errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Korrektur der Meßwerte den Transmittanzfaktor des optischen Weges des Meßsystems berücksichtigt.

3. Verfahren zum Messen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) eines Meßobjekts (10), wobei ein Radiometer (16) und eine reflektierende Oberfläche (12) symmetrisch zu einer Normalen (N) bezüglich der Oberfläche des Meßobjektes (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß die von der Oberfläche des Meßobjektes (10) ausgehende und von der reflektierenden Oberfläche (13) reflektierte Strahlung abwechslungsweise entweder absorbiert oder zum Radiometer (16) durchgelassen wird,
- daß vom Radiometer (16) sowohl die auftreffende Strahlungsenergie gemessen wird, wenn die von der reflektierenden Oberfläche (12) reflektierte Strahlung absorbiert wird, als auch diejenige auftreffende Strahlungsenergie, wenn die von der reflektierenden Oberfläche (12) reflektierte Strahlung durchgelassen wird,
- daß der Reflektionsfaktor (p) ermittelt wird, der den Anteil der nicht spiegelnd an der Objektoberfläche reflektierten Strahlung angibt, und
- daß daraus die Oberflächentemperatur (T₁) und das Emissionsvermögen (ε) des Meßobjekts (10) errechnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der diffuse Reflektionsfaktor (p) aus der Oberflächenrauhigkeit des zu messenden Objekts (3; 10) ermittelt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Messen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) eines Meßobjekts (3, 10), mit mindestens einem Hilfsstrahler (2) zum Emittieren zweier verschiedener Strahlungsenergiewerte (E _b (T₂), E _b (T₃) bei zwei bestimmten Temperaturen (T₂, T₃) auf die Oberfläche des Objekts (3, 10), einem bezüglich des Hilfsstrahlers (2) symmetrisch zu einer Normalen (N) der Oberfläche des Meßobjekts (3, 10) angeordneten Radiometer (1), und mit einem Rechner zum Berechnen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) des Objekts (3, 10), dadurch gekennzeichnet,

- daß im Strahlengang zwischen dem Hilfsstrahler (2) und dem Radiometer (1) eine Umschaltvorrichtung (M₁, M₂, M₃; MT, 5) vorgesehen ist, durch die die beiden verschiedenen Strahlungsenergiewerte (E _b (T₂), E _b (T₃) wahlweise dem Radiometer (1) zugeführt werden, und
- daß der Rechner die Oberflächentemperatur (T₁) und das Emissionsvermögen (ε) des Objekts (3, 10) aus den verschiedenen Meßwerten des Radiometers (1) unter Berücksichtigung des Reflektionsfaktors (p) berechnet, der den Anteil der nicht spiegelnd an der Objektoberfläche reflektierten Strahlung angibt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 zum Messen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) eines Meßobjekts (10), mit einer reflektierenden Oberfläche (12), einem bezüglich der reflektierenden Oberfläche (12) symmetrisch zu einer Normalen (N) der Oberfläche des Meßobjekts (10) angeordneten Radiometer (16), und mit einem Rechner zum Berechnen der Oberflächentemperatur (T₁) und des Emissionsvermögens (ε) des Meßobjekts (10), dadurch gekennzeichnet,

- daß eine rotierende Sektorscheibe (14) mit absorbierenden und durchlässigen Abschnitten vorgesehen ist, die die von der Oberfläche des Meßobjekts (10) ausgehende und von der reflektierenden Oberfläche (12) reflektierte Strahlung abwechslungsweise entweder absorbiert oder zum Radiometer (16) durchläßt,
- daß der Rechner die Oberflächentemperatur (T₁) und das Emissionsvermögen (ε) des Meßobjekts (10) unter Berücksichtigung des Reflektionsfaktors (p) berechnet, der den Anteil der nicht spiegelnd an der Objektoberfläche reflektierten Strahlung angibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche (12) eben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche (12′) konkav ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche (12) Strahlung diffus reflektiert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (10) in einem Ofen erhitzt wird und daß das Radiometer (16) und die reflektierende Oberfläche (12) außerhalb des Ofens angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (10) in einem Ofen erwärmt wird, daß das Radiometer (16) und die reflektierende Oberfläche (12) auf einer wassergekühlten Kammer oder Basisplatte (17) angeordnet sind und daß die wassergekühlte Kammer oder die Basisplatte (17) in dem Ofen angeordnet sind und zum Meßobjekt (10) weisen.