DE3108153C2 - - Google Patents
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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
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.
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
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.
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.
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 (11)
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.
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