DE3149138A1 - METHOD AND DEVICE FOR EMISSION DEGREE-INDEPENDENT TEMPERATURE MEASUREMENT - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR EMISSION DEGREE-INDEPENDENT TEMPERATURE MEASUREMENTInfo
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Description
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Verfahren und Einrichtung zur emissionsgradunabhängigen Temperatürme s sungProcess and device for temperature measurement independent of the emission level
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur berührungslosen emissionsgradunabhängigen Messung der Temperatur von Meßobjektoberflächen auf der Basis der Strahlungspyrometrie, wobei die Erfindung insbesondere innerhalb von Forschungsarbeiten und bei Voruntersuchungen für den Einsatz von Temperaturmeßeinrichtungen in technologischen Prozessen angewendet werden kann·The invention relates to a method and a device for non-contact measurement of the temperature of test object surfaces, regardless of the degree of emission, on the basis of radiation pyrometry, the invention in particular within research work and in preliminary studies for use of temperature measuring devices can be used in technological processes
Es sind bereits ein Verfahren und eine Einrichtung vorgeschlagen worden, bei denen zur Messung der wahren Objekttemperatur mehrere feste Arbeitsspektralbereiche benutzt werden. Dieses Verfahren und diese Einrichtung sind dafür sehr geeignet, wenn Vorinformationen über den Verlauf des Emissionsgrades der Meßobjektoberfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge und über die Strahlungsverhältnisse des Meßobjektraumes vorhanden sind. Sie sind ungeeignet, wenn keine Vorinformationen vorliegen.A method and an apparatus have been proposed in which to measure the true object temperature several fixed working spectral ranges can be used. This procedure and this facility are very suitable for if prior information about the course of the emissivity of the measurement object surface as a function of the wavelength and are available via the radiation conditions of the test object space. They are unsuitable if there is no prior information are present.
" *:*31 A91"* : * 31 A91
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die berührungslose Untersuchung von Meßobjektoberflachen und Meßobjekträumen zum Zwecke der Messung der wahren Objekttemperatur mit rein pyrometrischen Mitteln in der Forschung und bei Voruntersuchungen für den Einsatz von Temperaturmeßeinrichtungen in technologischen Prozessen zu ermöglichen. Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung ist darin zu sehen, daß die bekannten Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung auch in solchen Anwendungsbereichen genutzt werden können, wo dies bisher wegen der komplizierten Meß be din gun gen nicht möglich war. Ferner wird durch die Anwendung der Erfindung der Aufwand bei Voruaborsuchungen zum Einsatz von Temperaturmeßeinrichtungen wesentlich vermindert.The aim of the invention is to enable the contactless investigation of measurement object surfaces and measurement object spaces for the purpose of measuring the true object temperature with purely pyrometric means in research and in preliminary investigations for the use of temperature measuring devices in technological processes. The useful effect of using the invention can be seen in the fact that the known advantages of non-contact temperature measurement can also be used in areas of application where this was previously not possible because of the complicated measuring conditions. Furthermore, the use of the invention significantly reduces the effort involved in investigations for the use of temperature measuring devices, among other things.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungslose Bestimmung der wahren Objekttemperatür an Meßobjektoberflächen und in Meßobjekträumen zu ermöglichen, ohne daß Vorinformationen über den Verlauf des Emissionsgrades der Meßobjektoberfläche in Abhängigkeit der Wellenlänge und über die Strahlungsverhältnisse des MeßObjektraumes vorhanden sind. Darüber hinaus sollen dabei Informationen, die den Einsatz bekannter Verfahren ermöglichen, gewonnen und gespeichert werden.The invention is based on the object of a non-contact Determination of the true object temperature on the surface of the object to be measured and in test object rooms without prior information are available via the course of the emissivity of the measurement object surface as a function of the wavelength and via the radiation conditions of the measurement object space. Furthermore information that enables the use of known processes is to be obtained and stored.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das gesamte Spektrum der Temperaturstrahlung der Meßobjektoberflnche einschließlich der von ihr reflektierten Umgebungsstrahlung aufgenommen und ausgewertet wird. Als Hilfsmittel wird ein Hilfsstrahler mit bekannter spektraler Zusammensetzung verwendet, dessen Spektrum nach Reflexion an der Meßobjektoberfläche aufgenommen und in die Auswertung einbezogen wird. Liegt im KFiedertemperaturbere&ch(5O.#.3OO°C) ein präparierter Meßraum(Schwarze Umgebungsstrahlung) vor, kann auf den Hilfsstrahler verzichtet werden und die über dieAccording to the invention, the object is achieved in that the entire spectrum of the temperature radiation of the measurement object surface, including the ambient radiation reflected by it, is recorded and evaluated. An auxiliary radiator with a known spectral composition is used as an aid, the spectrum of which is recorded after reflection on the surface of the measurement object and included in the evaluation. Located in the & KFiedertemperaturbere ch (5O. # .3OO ° C) a prepared measuring space (Black ambient radiation) before, can be dispensed with the auxiliary radiator and on the
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Meßobjektoberfläche in die Meßeinrichtung reflektierte Umgebungsstrahlung in bekannter Weise als Eingangsgröße für die Informationsverarbeitung verwendet werden.Ambient radiation reflected in the measuring object surface can be used in a known manner as an input variable for information processing.
Die Auswertung erfolgt derart, daß mittels eine3 Suchalgorithmus ein Rechner die Bandstrahlungsmeßwerte aller Spektralbereiche des aufgenommenen Spektrums solange verknüpft, bis die Auswertung von zwei verschiedenen Spektralbereichskombinationen bei einer willkürlich angenommenen Emissionsgradverknüpfung zu gleichen Temperaturwerten führt. Diese sind dann auch mit der wahren Objekttemperatur der Meßobjektoberfläche identisch.The evaluation is carried out in such a way that by means of a search algorithm a computer links the band radiation measurements of all spectral ranges of the recorded spectrum as long as until the evaluation of two different spectral range combinations leads to the same temperature values in the case of an arbitrarily assumed emissivity link. These are then also with the true object temperature of the measuring object surface identical.
Mit Hilfe von Reflexionsverhältnismessungen werden die spektralen Emissionsgrade, wie bereits vorgeschlagen, ermittelt und gespeichert. Erfindungsgemäß werden mit dem beschriebenen Verfahren die Spektralbereiche aus dem Spektrum der Temperaturstrahlung des Meßobjektes ermittelt, in denen es grau strahlt oder wo der Emissionsgradverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge linear ist. Das Verhalten des Emissionsgrades zwischen den ermittelten Spektralbereichen kann dabei beliebig sein.As already proposed, the spectral emissivities are determined with the help of reflection ratio measurements and saved. According to the invention, with the method described, the spectral ranges are derived from the spectrum of the temperature radiation of the measuring object is determined in which it shines gray or where the emissivity curve depends on the wavelength is linear. The behavior of the emissivity between the determined spectral ranges can be arbitrary be.
Der Rechner wertet die an der Meßobjektoberfläche reflektierte Strahlung des Hilfsstrahlers und der Meßobjektumgebung derart aus, daß solche Spektralbereiche ermittelt werden, wo die Meßobjektumgebung grau strahlt und ihr Einfluß ermittelt bzw. eliminiert werden kann.The computer evaluates the amount reflected on the surface of the object to be measured Radiation of the auxiliary radiator and the measurement object environment in such a way from that such spectral ranges are determined where the measurement object environment shines gray and its influence can be determined or eliminated.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Spektrums der Temperatürstrahlung der MeßobjektoberflMche eine Interferometeranordnung eingesetzt ist. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß entweder ein beweglicher Spiegel auf einen piezoelektrischen Schwinger angeordnet ist und nach dem Strahlungsdetektor elektronische Filter,, welche wie im optischen Kanal befindlicheThe device for carrying out the method is according to the invention characterized in that an interferometer arrangement is used to measure the spectrum of the temperature radiation of the measurement object surface is used. This is characterized in that either a movable mirror on a piezoelectric Oscillator is arranged and after the radiation detector electronic filters, which are located as in the optical channel
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Filter wirken, zur Abgrenzung der auszuwerteenden Spektralbereiche geschaltet sind oder daß ein fester Spiegel schräg zur Strahlungsrichtung angeordnet ist und zur Auflösung des Spektrums eine Detektorzeile eingesetzt ist.Filters act to delimit the spectral ranges to be evaluated are switched or that a fixed mirror is arranged obliquely to the direction of radiation and to resolve the Spectrum a detector line is used.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Meßeinrichtung zur Messung der wahren Objekttemperatur besteht aus einem Fourier-Interferometer für den Infrarotbereich von 3...15/um (Niedertemperaturbereich von 50...30O0G) mit einer spektralen Auflösung von Δ X « 2/um und einer Temperaturauflösung von besser als 0,05 K beiThe invention is to be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments. The measuring device for measuring the true object temperature consists of a Fourier interferometer for the infrared range of 3 ... 15 / um (low temperature range of 50 ... 30O 0 G) with a spectral resolution of Δ X «2 / um and a temperature resolution of better than 0.05 K at
λ = 10 ,um. Das Fourier-Interferometer ist bekanntermaßen aufgebaut. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren wird der bewegliche Spiegel des Interferometers mittels eines piezoelektrischen Schwingers bewegt und das Detektorsignal wird mittels elektronischer Filter einschließlich Gleichrichter "und Spitzenwertspeicher verarbeitet. Das elektronische Filter hat praktisch die gleiche Wirkung wie ein Filter im optischen Kanal. Es werden z.B. 6 Filter parallel geschaltet und die Meßwerte multiplex bei einem Spiegelhub aufgenommen. Zusätzlich wird der Mittelwert über mehrere Spiegelhübe gebildet, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens wesentlich gesteigert wird. Die Gehäusetemperaturkompensation erfolgt mittels eines Rechners, welcher auch die Verknüpfung der spektralen Meßwerte vornimmt und die wahre Objekttemperatür berechnet. Die Verknüpfung erfolgt derart, daß der Rechner jeweils zwei Meßwerte der Strahlungsintensität der einzelnen Spektralbereiche miteinander ins Verhältnis setzt und mittels eines Suchalgorithmus die Bereiche bestimmt, wo die Auswertung der Verhältnisbildung gleiche Werte für die Objekttemperatur ergibt. Das trifft nur auf solche Spektralbereiche zu, in denen die MeßobjektoberflHche gleiche spektrale Emissionsgrade aufweist, d. h. in denen sie als grauer Strahler wirkt. Die so ermittelte Objekttemperatür ist mit der wahren Objekttemperatur identisch.λ = 10 µm. The Fourier interferometer is well known built up. In contrast to the known method, the movable mirror of the interferometer is made by means of a piezoelectric Oscillator is moved and the detector signal is processed by means of an electronic filter including a rectifier "and peak value memory processed. The electronic filter has practically the same effect as a filter in the optical Channel. For example, 6 filters are connected in parallel and the measured values are recorded multiplexed with a mirror lift. Additionally the mean value is formed over several mirror strokes, which significantly increases the accuracy of the method will. The housing temperature compensation takes place by means of a computer, which also links the spectral measured values and calculates the true object temperature. The link takes place in such a way that the computer combines two measured values of the radiation intensity of the individual spectral ranges and uses a search algorithm to determine the areas where the evaluation of the ratio formation results in the same values for the object temperature. This only applies to those spectral ranges in which the object surface has the same spectral emissivity, d. H. in which it acts as a gray spotlight. The so determined The object temperature is with the true object temperature identical.
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Ss ist aber auch möglich, einen zur Strahlungsrichtung schräg angeordneten festen Spiegel zu benützen, wodurch die Auflösung des Spektrums mittels einer Detektorzeile in einzelne Spektral bereiche erfolgen kann·But Ss is also possible, one inclined to the direction of radiation arranged fixed mirror to use, whereby the resolution of the spectrum by means of a detector line in individual spectral areas can be done
Die Verknüpfung der Bandstrahlungsmeßwerte kann auch derart erfolgen, daß der Rechner jeweils drei Meßwerte der Strahlungs intensität der einzelnen Spektralbereiche so verknüpft, daß die Lösung des nichtlinearen GleichungssystemsThe linkage of the strip radiation measurement values can also be carried out in this way take place that the computer links three measured values of the radiation intensity of the individual spectral ranges so that the solution of the nonlinear system of equations
Vf (λι, ει>
V V
Vf(X2, ε 2. ν VV f (λ ι, ε ι> VV
Vf (X 2 , ε 2. Ν V
U3= f (λ3, g3, T0, I11)U 3 = f (λ 3 , g 3 , T 0 , I 11 )
S1= a ·λS 1 = a * λ
S2= a ' * 2 S3= a · X3 S 2 = a '* 2 S 3 = a * X 3
die Objekttemperatur ergibt. Mittels eines Suchalgorithmus werden die Spektralbereichskombinationen bestimmt, für die sich gleiche Objekttemperaturen ergeben· Diese Spektralbereichskombinationen haben spektrale Emissionsgrade, welche sich linear mit der Wellenlänge ändern. Die ermittelte Objekttemperatur ist die wahre Objekttemperatur.the object temperature results. Using a search algorithm the spectral range combinations are determined for which the same object temperatures result · These spectral range combinations have spectral emissivities that change linearly with wavelength. The determined object temperature is the true object temperature.
Im Hochtemperaturbereich oder wenn im Hiedertemperaturbereich die Strahlungsverhältnisse im Meßobjektraum nicht bekannt sind, wird zusätzlich ein Hilfsstrahler benutzt. Die Meßeinrichtung mißt die spektrale Meßobjektstrahlung mit und ohne die an der Meßobjektoberfläche reflektierte Hilfsstrahlung. Der Rechner bestimmt mittels eines Suchalgorithmus die Spektralbereiche, in denen die Meßobjektofoerfläche und die Meßobjektumgebung grau strahlen und somit die Ermittlung der wahren Objekttemperatür ermöglichen.In the high temperature range or when in the low temperature range If the radiation conditions in the test object space are not known, an auxiliary radiator is also used. The measuring device measures the spectral target radiation with and without the auxiliary radiation reflected on the surface of the measurement object. By means of a search algorithm, the computer determines the spectral ranges in which the measuring object surface and the area around the measuring object shine gray and thus enable the determination of the true object temperature.
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