DE3115887A1

DE3115887A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen infrarot-strahlungsmessung der temperatur eines objekts

Info

Publication number: DE3115887A1
Application number: DE19813115887
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Ing. 8081 Eching Tank
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3115887C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Infrarot-Strahlungs-
messung der Temperatur eines Objekts Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines natürlichen oder künstlichen Objekts.
Berührungslose Strahlungsmessungen dieser Art finden z.B. in der Verfahrenstechnik Anwendung, wenn die Qualität der erzeugten Produkte sehr stark von dem Einhalten bestimmter Temperaturen oder Temperaturabläufe bei der Fertigung abhängt. Beispiele hierfür sind das Brennen hochgenauer Keramikteile, das Schmelzen von Legierungen oder das Zonen ziehen zur Dotierung von Halbleitermaterialien. Dabei besteht jedoch die Schwierigkeit, daß nur die scheinbare Temperatur des Objekts und nicht die tatsächliche Temperatur des Objekts gemessen werden kann, falls dessen Emissionsgrad nicht bekannt ist. Es wird deshalb als nachteil bekannter-Verfahren und Vorrichtungen dieser Art angesehen, daß damit der Emissionsgrad nicht gemessen werden kann. Es sind zwar bereits sogenannte Emissiometer bekannt, mit denen für wissenschaftliche Zwecke in Laboratorien der Infrarot-Emissionsgrad von Materialien gemessen werden kann. Mit derartigen Meßeinrichtungen sind jedoch Messungen unter Realbedingungen nicht ohne weiteres durchführbar, wie sie beispielsweise in der Verfahrenstechnik oder Bautechnik vorliegen.
Eine Messung unter Realbedingungen wäre auch deshalb von erheblichem praktischem Interesse, weil damit auch die Einflüsse von Witterung und Alterung auf den Emissionsgrad bestimmt werden könnten.
In der Bautechnik und in der Solartechnik ist-die Kenntnis des Emissionsgrads von Materialien und Baustoffen insbesondere deshalb von Bedeutung, weil zum Zwecke von Energieeinsparungen die Strahlungsbilanz von Solarkollektoren oder Gebäuden optimiert werden soll. Ein Solarkollektor soll beispielsweise möglichst viel Strahlung von der Sonne aufnehmen, während ein Wohngebäude oder ein Bürogebäude möglichst wenig Infrarotstrahlung an die Umgebung abgeben soll.
Bei bisher in der Praxis verwendeten Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung finden Radiometer oder Pyrometer Verwendung, die Strahlung in einem relativ breiten Spektralbereich zwischen etwa 3,0 - 5,0 pin oder 8,0 - 14,0 pm integral messen. Aus der in dem Spektralbereich integrierten Strahldichte bzw. Strahlstärke wird über eine Eichmessung die scheinbare Temperatur des Objekts bestimmt Es ist lediglich die scheinbare Temperatur, weil Messung und Eichung in den seltensten Fällen unter gleichen geometrischen Bedingungen (Entfernung) stattfinden können, und daher das Ergebnis der Temperaturbestimmung durch den Transmissionsgrad der Atmosphäre verfälscht wird, wie in Verbindung mit den grafischen Darstellungen in Fig. 1 und 2 noch erläutert werden soll. Wenn der Emissionsgrad des Objekts nicht bekannt ist und von dem Wert 1 abweicht wird das Ergebnis zusätzlich verfälscht, weil es ohne Korrektur nur für einen schwarzer Körper richtig ist, der wie das verwendete Eich-Standard einen Emissionsgrad von 1 aufweist.
In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Wellenlänge # (in Mikrometer) aufgetragen und auf der Ordinate der Transimissionsgrad der Atmosphäre für 10, 50 bzw. 100 m Weglänge). In Fig. 2 ist auf der Abszisse ebenfalls die Wellenlänge in Mikrometer und auf der Ordinate die spektrale Strahldichte S (in W CM-2, SR -1 Mikrometer1 die spektrale Strahldichte 5 (in W com , so Mikrometer ) aufgetragen. Die Kurven in Fig. 2 zeigen die spektrale- Strahldichte bei einem schwarzen Körper (E = 1) für verschiedene Temperaturen (400, 500, 600,700,800,900 und 1000 K). Im allgemeinen sind die natürlichen und künstlichen Objekte der Umgebung nicht schwarze sondern graue Körper, deren Emissionsgrad kleiner als 1 ist. Strahldichtekurven schwarzer und grauer Körper gleicher Temperatur (entsprechend Fig. 2) sind parallel, wobei der graue Körper wegen seines geringeren Emissionsgrads eine geringere Strahldichte hat, so daß seine Kurve in der Figur unter der des schwarzen Körpers liegt. Dies bedeutet, daß unabhängig vom Emissionsgrad die Strahldichtekurven aller schwarzen und grauen Objekte gleicher Temperatur parallel verlaufen, daß aber die abgestrahlte Gesamtintensität unterschiedlich ist und direkt proportional dem Emissionsgrad ist.
Aus den obigen Ausführungen geht deshalb in Verbindung mit Fig. 1 und 2 hervor, daß eine eindeutige Temperaturbestimmung mit Hilfe der bisher in der Praxis verwendeten Verfahren nur bei Kenntnis des Emissionsgrads des Meßobjekts möglich ist, und daß außerdem die Korrektur des Atmosphäreneinflusses durch Ermittlung des Transmissionsgrads erforderlich ist. Es wird deshalb als weiterer Nachteil bisher in der Praxis verwendeter Verfahren und Vorrichtungen angesehen, daß ein verhältnismäßig großer Aufwand erforderlich ist.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß mit verringertem Aufwand eine genauere Messung der Temperatur und gleichzeitig eine Messung des Emissionsgråds in einem einzigen Meßgang durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit einem derartigen Verfahren ist es deshalb möglich, nicht nur eine genauere Messung der tatsächlichen Temperatur des betreffenden Objekts ohne Kenntnis dessen Emissionsgrads durchzuführen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß darüberhinaus auch die Bestimmung des Emissionsgrads in einem einzigen Meßvorgang durchführbar ist, so daß weder für die Bestimmung des Emissionsgrads des Objekts noch für die Bestimmung des Transmissionsgrads der Atmosphäre eine zusätzliche Einrichtung erforderlich ist. Bei Abweichungen vom Transmissionsgrad r = 1 kann jedoch eine entsprechende Korrektur erfolgen.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann ferner die Bestimmung der tatsächlichen Temperatur und des Produkts von Emissionsgrad und strahlender Fläche des Objekts erfolgen. Über die Messung der tatsächlich strahlenden Fläche kann auch in diesem Fall der Emissionsgrad bestimmt werden. Der erste Fall bezieht sich deshalb auf eine Strahldichtemessung, während der zweite sich auf eine Strahlstärkemessung bezieht.
Das Problem des Atmosphäreneinflusses wird bei diesem Verfahren dadurch gelöst, daß eine spektralradiometrische Infrarot-Strahlungsmessung durchgeführt wird, daß also die Strahlung in mehreren definierten, mehr oder weniger schmalen Spektralbereichen gemessen wird. Als Spektralbereiche werden die gewählt, in denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre möglichst = 1 ist. Geeignete Spektralbereiche sind aus Fig. 1 ohne weiteres entnehmbar.
Zu den spektralradiometrisch gemessenen Intensitäten von beispielsweise drei Spektralbereichen wird eine Strahldichtekurve entsprechend Fig. 2 dadurch ermittelt, daß durch Iterationsrechnung mit Hilfe des Planck'schen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, die ein schwarzer Körper hat , dessen Strahldichtekurve parallel zu den gemessenen IntenSitäten verläuft. Damit kann die tatsächliche Temperatur des grauen Objekts mit oder gegebenenfalls ohne Eichmessung bestimmt werden.
Der Emissionsgrad des Objekts kann aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten zu den entsprechenden Intensitäten eines schwarzen Körpers (berechnet nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz) ermittelt werden. Bei Strahstärkemessungen ergibt sich die tatsächliche Temperatur und das Produkt von Emissionsgrad und strahlender Fläche. Durch Messung der tatsächlich strahlenden Fläche kann die Berechnung des Emissionsgrads erfolgen.
Entsprechend den obigen Ausführungen kann deshalb die tatsächliche Temperatur und der Emissionsgrad, oder aber die tatsächliche Temperatur und das Produkt von Emissionsgrad und strahlender Fläche der Objekte in Quasiechtzeit aus einem Meßgang simultan bestimmt werden; Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht ferner darin, daß nicht wie bisher die Temperatur aus der Strahlungsmessung über eine Eichmessung ermittelt wird, sondern durch rechnerische Iteration über das Planck'sche Strahlungsgesetz und damit genauer und zuverlässiger.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispeilsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 und 2 grafische Darstellungen des Transmissionsgrads der Atmosphäre bzw. der spektralen Strahldichte schwarzer Körper in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Modulator für das Ausführungsbeispiel in Fig. 3; und Fig. 5 eine dem Modulator in Fig. 4 zugeordnete, Transmissionsbereiche enthaltende Tabelle.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die von einem Objekt 0 emittierte Infrarotstrahlung vom Teleskop T eines Spektralradiometers gesammelt, umgelenkt und auf einen Modulator M fokussiert. Im weiteren Strahlengang wird die modulierte Strahlung von einer Feldlinse F auf einen Detektor D fokussiert. Die durch die Strahlung im Detektor erzeugten elektrischen Signale werden in einem Verstärker V verstärkt und von einem Analog-Digitalwandler mit einem Takt digitalisiert, der von dem Modulator M über eine Lichtschranke L abgegriffen und in einer Taktlogik aufbereitet wird. Aus den digitalisierten Meßwerten errechnet ein Mikrorechner durch Iteration über das Planck'sche Strahlungsgesetz Temperatur T und Emissionsgrad £. Die tatsächliche Temperatur und der Emissionsgrad können mit Hilfe eines Anzeigegeräts angezeigt werden, sowie gegebenenfalls auch die tatsächlich strahlende Fläche F.
Der Mikrorechner verfügt über eine Befehlseingabeeinheit, durch welche Datenübernahme und Iterationsrechnung gestartet werden können. Ebenso kann hier gegebenenfalls die Fläche des Meßobjekts einyybn wer(lell, oder cs können btstiuunte, zur Messung verwendete Spektralbereiche vorgewählt werden, wie in Verbindung mit Fig. 4 und der Tabelle in Fig. 5 näher erläutert werden soll. Die Scheibe des Modulators M rotiert mit konstanter Gcschwindigkeit, die der Detektorzeitkonstanten angepaßt ist. Die Scheibe besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus 16 gleich großen Kreissegmenten. Dabei handelt es sich abwechselnd um für Infrarotstrahlung undurchlässige Segmente, die beiepielsweise aus Aluminium bestehen, und um Infrarotfilter A bis H, die einen kleineren Radius als die undurchlässigen Segmente aus Aluminium aufweisen. Die Infrarotfilter lassen nur Strahlung in den in der Tabelle in Fig.
5 angegebenen Bereichen durch. Dies sind Fig. 1 entnehmbare Bereiche hoher Transmission der Atmosphäre. Die in der-Tabelle freigelassenen Segmente G und H können gegebenenfalls mit weiteren Filtern bestückt werden.
Die strahlungsundurchlässigen Segmente, die einen größeren Radius als die durchlässigen segmentförmigen Infrarotfilter aufweisen, dienen als Modulatoren für die Lichtschranke L. Das Segment zwischen den Infrarotfiltern D und E ist im Gegensatz zu den übrigen strahlungsundurchlässigen Segmenten derart ausgebildet, daß es statt eines langen Dunkelpulses drei-kurze Dunkelpulse liefert.
Bei einer Rotation der Scheibe im Uhrzeigersinn ist dieses Segment die Referenz für die Nullpositon, d. h. nach Erscheinen der drei Dunkelpulse passiert das Infrarotfilter A den der Lichtschranke gegenüberliegenden Strahlengang des Spektralradiometers, so daß der Detektor D-nur Strahlung von dem Infrarotfilter A mit dem in der Tabelle genannten Transmissionsbereich empfängt. Im weiteren Verlauf folgen nacheinander die Bereiche der Infrarotfilter B bis H. Mit Hilfe dieser Taktung und einesAuswahlprogramms im Mikrorechner lassen sich drei beliebige oder bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bis zu acht Spektralbereiche für die Messung wählen und verwenden.
Entsprechend dem betreffenden Verwendungszweck kann eine an sich beliebige Anzahl von Spektralbereichen für die Messung gewählt werden.
Die Modulatorscheibe rotiert kontinuierlich. Die Datenübernahme beginnt nach zeitlich beliebigem Start an der Befehlseingabe immer erst dann, wenn sich das Infrarotfilter A im Strahlengang befindet. Unmittelbar nach Durchlauf aller Segmente läuft die Iterationsrechnung ab. Das Ergebnis kann nach wenigen Sekunden auf dem Anzeigegerät angezeigt werden. Die nächste Messung kann dann nach erneutem Start an der Befehlseingabe ausgelöst werden.
Beispielsweise für Überwachungsaufgaben ist es auch möglich, durch einmaligen Start sekundenschnell aufeinanderfolgende, quasi kontinuierliche Messungen durchzuführen. Dies kann für eine bestimmte Anzahl von Messung geschehen, oder bis zu einem Stopbefehl an der Befehlseingabe. Für solche Fälle wird zusätzlich ein Speichergerät für die Ergebnisse vorgesehen.
Die strahlungsundurchlässigen Segmente des Modulators können beispielsweise zur Erzeugung einer konstanten Signalreferenz verspiegelt sein.
Das Iterationsprogramm berechnet die Planck'sche Strahlungskurve, die parallel zu den Meßwerten verläuft, und gibt deren Temperatur zur Anzeige. Ferner wird das Verhältnis der gemessenen Werte zu denen aus dem Iterationsergebnis gewonnenen gebildet, so daß auch der Emissionsgrad angezeigt werden kann. Handelt es sich um eine Strahlstärkemessung, so ist das Verhältnis das Produkt aus Fläche und Emissionsgrad. Ist die Fläche bekannt, so läßt sich daraus der Emissionsgrad errechnen.
In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform ist es auch möglich, andere Spektralradiometer zu verwenden, weniger oder mehr, oder andere als die beschriebenen Spektralbereiche auszuwählen.
Ebensq können die Meßwerte auch anders gespeichert und später in den Rechner eingegeben werden. Da im allgemeinen lediglich ein kleiner Mikrorechner erforderlich ist, ergibt sich ferner der Vorteil, daß die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung als tragbares Gerät gestaltet werden kann, das breite und wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines natürlichen oder künstlichen Objekts, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Strahzwei oder mehr - - . -iungsmessung in z begrenzten speKtraiDereicnen ourcngeführt wird, in denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre zumindest angenähert gleich 1 ist, und daß zur Bestimmung der Temperatur und/oder des Emissionsgrads des Objekts in einem einzigen Meßgang zu den in den verschiedenen Spektralbereichen gemessenen Intensitäten eine Strahldichtekurve berechnet wii-d, indem durch Iterationsrechnung mit Hilfe des Planck'schen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, die e-in schwarzer Körper hat, dessen Strahldichtekurve parallel zu den gemessenen Intensitäten verläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n et, daß der Emissionsgrad des Objekts aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten zu den entsprechenden Intensitäten eines schwarzen Körpers ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß eine Strahlstärkemessung zur Bestimmung der tatsächlichen Temperatur und des Produkts von Emissionsgrad und strahlender Fläche durchgefûhrt wird, und daß die . strahlende Fläche gemessen wird, um den Emissionsgrad zu berechnen.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß sie ein Spektralradiometer mit einem Modulator (M) enthält, über den die von dem Objekt emittierte Infrarotstrahlung entsprechend den Transmissionsbereichen von Infrarotfiltern (A-H) in dem Modulator auf eine Detektoreinrichtung (D) gelangt, daß die Ausgangssignale der Detektoreinrichtung (D) über einen Verstärker (V) einem Analog-Digitalwandler.zuführbar sind, für den eine Taktsteuerung in Abhängigkeit von einer dem Modulator (M) zugeordneten Lichtschranke (L) vorgesehen ist, und daß zur Durchführung der Iterationsrechnung ein Mikroprozessor angeschlossen ist, über den ein Anzeigegerät zur Anzeige der tatsächlichen Temperatur und des Emissionsgrads des Objekts betätigbar ist.