DE3115887C2 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines Strahlers - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines natürlichen oder künstlichen Objekts beschrieben, bei dem die Strahlungsmessung in zwei oder mehr begrenzten Spektralbereichen durchgeführt wird, in denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre zumindest angenähert gleich 2 ist. Zur Bestimmung der Temperatur und/oder des Emissionsgrades des Objekts wird in einem einzigen Meßgang zu den in den verschiedenen Spektralbereichen gemessenen Intensitäten eine Strahldichtekurve berechnet, indem durch Iterationsrechnung mit Hilfe des PlanckΔschen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, die ein schwarzer Körper hat, dessen Strahldichtekurve parallel zu den gemessenen Intensitäten verläuft. Der Emissionsgrad des Objekts kann aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten zu den entsprechenden Intensitäten eines schwarzen Körpers ermittelt werden.

Description

1. aus einer Reihe von Strahldichten oder-stärken eine Strahlungs-Wellenlängenkurve gewonnen wird,

2. die dieser Kurve ähnlichste Kurve aus dem Planckschen Strahlungsgesetz für schwarze Strahler gesucht wird und

3. die der gefundenen Planckschen Kurve entsprechende Temperatur als wahre Temperatur des Strahlers ermittelt wird.

2. Verfafcrsn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsgrad des Strahlers aus dem Verhältnis der gemessenen Strahldichten oder Strahlstärken zu den entsprechenden Werten der Kurve aus dem Planckschen Strahlungsgesetz ermittelt wird.

3. Vorrichtung zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines Strahlers, bei der in mehreren Wellenlängenbereichen Strahlungsdichten oder Strahlstärken erfaßt werden, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß ein Spektralradioineter für Strahlungsmessungen in diskreten Wellenlängenbereichen ve* gesehen ist, das eine rotierende Modulatorsch^ibe (M) mit abwechselnd angeordneten strahlungsundurc? ■" ässigen Segmenten und drei oder mehr segmentförmigen Infrarotfiltern (A bis H) eninäit, über die die von dem Objekt emittierte J5 Infrarotstrahlung entsprechend ihren Transmissionsbereichen 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.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung vorgesehen ist, deren Spektralempfindlichkeit Messungen im Infrarotbereich unterhalb etwa 14 μπι Wellenlänge ermöglicht, so und daß die Infrarotfilter bei diskreten Wellenlängen innerhalb dieses Bereichs durchlässig sind.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatur eines Strahlers entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung 6() zur Durchführung dieses Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Berührungslose Strahlungsmessungen dieser Art finden z. B. in der Verfahrenstechnik Anwendung, wenn die Qualität der erzeugten Produkte sehr stark von dem (,5 Hinhalten bestimmter Temperaturen oder Temperaturabläufe bei der Fertigung abhängt. Beispiele hierfür sind das Brennen hocrmenauer Keramikteile, das Schmelzen von Legierungen oder das Zonenziehen 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 kanr, falls dessen Emissionsgrad nicht bekannt ist. Es wird deshalb als Nachteil bekannter Verfahren und Vorrichtungen dieser Art angesehen, daß dr^mit der Emissionsgrad nicht gemessen werden kann. Es sind zwar bereits sogenannte Emissionsmeter 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 praktischen 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 Soi .ie 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 3,0-5.11 μπι oder 8.0-14,0 μπι integral messen. Aus der in dem Spektralbereich integrierten Strahldichte bzw. Strahlstärke wird über eine Eichmessung die .-.eheiiibiiri.- 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 Transmissionsgrud der Atmosphäre verfälscht wird, wie in Verbindung mit den grafischen Darstellungen in Fig. I 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 schwarzen Körper richtig ist, der wie das verwendete Eich-Standard einen Emissionsgrad von I aufweist.

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Wellenlänge λ (in Mikrometer) aufgetragen und auf der Ordinate der Transmissionsgrad der Atmosphäre für K), 50 bzw. 100 m Weglänge. In Fig. 2 ist auf der Abszisse ebenfalls die Wellenlänge in Mikrometer und auf der Ordinate die spektrale Strahldichte 5 (in W CM ², SR"¹ Mikrometer ') aufgetragen. Die Kurven in Fig. 2 zeigen die spektrale Strahldichte bei einem schwarzen Körper (f = 1) für verschiedene Temperaturen (400, 500, 600, 7(M), 800. 9(M) und 1000 K). Im allgemeinen sind die natürlichen und künstlichen Objekte der Umgebung nicht schwarze, sondern graue Körper, deren Emissionsgrad kleiner als I ist. Strahldichtekurven schwarzer und grauer Körper gleicher Temperatur (entsprechend Fig. 2) unterscheiden sich nur durch einen konstanten Faktor, wobei der graue Körper wegen seines geringeren Emissionsgrads eine geringere Strahldichtc hat. so daß seine Kurve in der Figur unter der des schwarzen Körpers liegt. Dies bedeutet, dall unabhängig vom Cmissionsgracl die Strahldichtckiirvcn aller schwarzen und grauen Objekte gleicher Temperatur

sich durch einen konstanten Faktor unterscheiden, daß aber die abgestrahlte Gesamtintensität unterschiedlich ist und direkt proportional dem Emissionsgrad ist.

Aus ilen obigen Ausführungen geht deshalb in Verbindung mil I- i_u. I uiiil 2 hervor, dall eine eindeutige Teni|XTalurhesliminuiii> 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.

Dies ist auch bei einem Verfahren der eingangs genannten Art (Herzfeld: Temperature, Vo. III. Part 2, S. 425-428) der Fall, bei dem ferner die Schwierigkeit besteht, daß Messungen bei verhältnismäßig hohen Temperaturen (Gluttemperaturen), aber nicht bei Umgebungstemperaturen durchführbar sind.

Zur Durchführung von Verfahren der genannten Art ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der ein einen elektromechanischen Generator darstellender Modulator des Lichtstroms vorgesehen ist, der ein mechanische Schwingungen ausführendes Schwingelement enthält, welches im Durchlaufweg des Lichtstroms zu einem Lichtteiler liegt, der optische Schmalbandfilter enthält. Dabei wird als nachteilig angesehen, daß der Aufbau verhältnismäßig aufwendig ist und daß sich durch die Verwendung eines Schwingclements Schwierigkeiten hinsichtlich Antrieb, Gleichlauf und Zuverlässigkeit ergeben.

L^;s ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Infrarot-Strahlungsmessung derart zu verbessern, daß mit geringem Aufwand eine genaue Messung der Temperatur und zugleich eine Messung des Emissionsgrads durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens 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.

Mil I liife dieses Verfahrens kann ferner die Bestimmung der tatsächlichen Temperatur und des Produkts von l-missiop.sgrad und strahlender Fläche des Objekts erfolgen. Über die Messung der tatsächlich strahlenden Fläche kann auch in diesem Fall der Emissionsgrad bestimmt werden. Der erste F:ill bezieht sich deshalb auf eine Slrahldichlemessung. während der zweite sich auf eine Slrahlsli'irkemessung bezieht.

l);is Problem des Atmosphäreneinflusses wird bei diesem Verfahren dadurch gelöst, daß eine spektralradiomeirische Infrarot-Strahlungsmessung durchgeführt wird, Λ5 diil! also die Strahlung in mehreren definierten, mehr oder weniger schmalen Spektralbereichen gemessen wird. Als Speklralhereiche werden die gewählt, in denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre möglich = 1 ist. Geeignete Spektralbereiche sind aus Fig. 1 ohne weiteres entnehmbar.

Zu den spektralradiometrisch gemessenen Intensitäten von beispielsweise drei Spektralhereichen wird eine Strahidichtkurve entsprechend Fig. 2 dadurch ermittelt, daß durch Iterationsrechnung mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, die ein schwarzer Körper hat, dessen Strahldichtekurve sich mit den Meßpunkten der Intensitäten deckt. 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 Planckschen Strahlungsgesetz) ermittelt werden. Bei Strahlstärkemessungen ergibt sich die tatsächliche Temperatur und das Produkt von Emissionsgrad und strahlender Fläche. Durch Messung der tatsächlich strahlenden Fläche kann die Berechnung des Emissions^iids 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 Quasie^htzeit 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 Plancksche Str^hlungsgesetz und damit genauer und zuverlässiger.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 und 2 gralische Darstellungen des Transmissionsgrades der Atmosphäre bzw. der spektralen Strahldichte scshwarzer 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 Ausfuhr;mgsbeispiel wird die von einem Objekt O emittierte 'nfrarotsirahlung vom TeleskopT 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 erzeugten elektrischen Signale weiden in einem Verstärker V verstärkt und von einem Analog-Digitalwandler mit einem Takt digitalisiert, der von den Modulator M über eine Lichtschranke L abgegriffen und in e:nei Taktlogig aufbereitet wird. Aus den digitalisierten Meßwerten errechnet ein Mikrorechner durch Iteration über das Plancksche Strahlungsgesetz Temperatur T und Emissionsgrad f. Die tatsächliche Temperatur und der Emissionsgrad können mit Hilfe eines Anzeigegeräts angezeigt werdert, sowie gegebenenfalls auch die tatsächlich strahlende Fläche F. ~

Der Mirkrorechner verfügt über eine Befehlseingabeeinheit, durch welche Datenübernahme und Iterationsrechnung gestartet werden können. Ebenso kann hier gegebenenfalls die Fläche des Meßobjekts eingegeben werden, oder es kön.-cn bestimmte, 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 Geschwindigkeit, die der Detektorzeitkonstan-

ten angepaßt ist. Die Scheibe besieht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus 16 gleich großen Kreissegmenten. Dabei handelt es sich abwechselnd um für Infrarotstrahlung undurchlässige Segmente, die beispielsweise aus Aluminium bestehen, und um Infrarotfilter Λ 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 in 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 I^s 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 Rolation der Scheibe im Uhrzeigersinn ist dieses Segment die Referenz für die Nullposition, 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 eines Auswahlprogramms 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 Daten-Übernahme 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 Messungen geschehen, oder bis zu einem Stoppbefehl 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 Plancksche Strahlungskurve, die sich mit den Meßwerten deckt, 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. Ebenso 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 gcmiiß der p.rfindunu als tninbares (ioriit gestaltet werden kann, das breite und wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeitcn eröffne!.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Infrarot-Strahlungsmessung der Temperatür eines Strahlers, bei dem in mehreren Wellenlängenbereichen Strahldichten oder Strahlstärken erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß