DE3223873A1

DE3223873A1 - Verfahren zur beruehrungsfreien messung des emissionsvermoegens und/oder der tatsaechlichen temperatur eines koerpers mit relativ glatter oberflaeche

Info

Publication number: DE3223873A1
Application number: DE19823223873
Authority: DE
Inventors: Philippe 75016 Paris Herve
Original assignee: Universite Paris Ouest Nanterre La Defense Paris 10
Current assignee: Universite Paris Ouest Nanterre La Defense Paris 10
Priority date: 1981-06-25
Filing date: 1982-06-25
Publication date: 1983-02-10
Also published as: US4498765A; FR2508637B1; GB2101309A; GB2101309B; FR2508637A1

Description

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Patentanwälte DiplT-IiW. H. WEfcKMÄNftrDiPL.-pHYs. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN 86 Oe . . POSTFACH 860820 ^³* ^JU'"

THr t MDHLSTRASSE 22

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UNIVERSITE PARIS X - NANTERRE
200, Avenue de la Republigue
F-92001 Nanterre / Frankreich

Verfahren zur berührungsfreien Messung des Emissionsvermögens und/oder der tatsächlichen Temperatur eines Körpers mit relativ glatter Oberfläche

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungsfreien Messung des Emissionsvermögens und/oder der tatsächlichen Temperatur eines Körpers mit relativ glatter Oberfläche durch aufeinanderfolgende Messungen der Leuchtdichte in demselben Punkt der Oberfläche des Körpers, wobei die Messungen an thermischer Strahlung mit jeweils verschiedener Polarisationsrichtung durchgeführt, werden.

Es ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem zunächst eine Messung der normalen Leuchtdichte C an einem einzigen Oberflächenpunkt des Körpers erfolgt. Hierauf werden nacheinander zwei Messungen A und B an polarisierter Strahlung unter einem Emissionswinkel θ durchgeführt, und zwar am selben Oberflächenpunkt des Körpers. Das normale Emissionsvermögen oder der normale Emissionsfaktor £ kann anschließend auf einfache Weise aus der aus den Fresnelschen Gleichungen abgeleiteten folgenden Beziehung abgeleitet werden:

A ^K A'

■_K, normal

Die tatsächliche Temperatur des Körpers am Meßpunkt kann dann aus der folgenden Formel berechnet werden

C = ^£'^k1 * Pk λ"⁵ e" ^{5 £kA e}

in der

k. und kj bekannte Konstanten,

3223ST3

£. das oben genannte Emissionsvermögen,

λ die Wellenlänge der Strahlung

C die vorher gemessene normale Leuchtdichte und

T die tatsächliche Temperatur bezeichnen.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist an sich befriedigend, da es wesentlich genauere Resultate liefert, als dies mit anderen bekannten Verfahren möglich ist.

In jedem Falle erfordert jedoch das bekannte Verfahren die Durchführung dreier aufeinanderfolgender Messungen des Emxssionsvermögens, nämlich eine Messung des normalen Emxssionsvermögens C unter einem Winkel 0 (Θ = 0) und zwei weitere Messungen A und B unter identischen, von Null verschiedenen Winkeln, die zwangsweise gleich 45° sind, un.d zwar mit jeweils unterschiedlicher Polarisationsrichtung des Strahlenbündels. Ferner muß sich die Me-ßapparatur in einem festen Abstand zur Oberfläche des Körpers befinden, da die Messung C und die Messungen A und B an demselben Oberflächenpunkt des Körpers unter ganz betimmten Winkeln bezüglich dieser Oberfläche durchgeführt werden müssen. Die Genauigkeit des Endergebnisses beruht zumindest teilweise auf der Einhaltung dieses festen Abstandes zwischen der Meßapparatur und der Körperoberfläche.

Diese Meßbedingungen und -anforderungen sind zwar im Labor relativ leicht zu erfüllen, nicht jedoch unter den in der industriellen Praxis herrschenden Meßbedingungen, wie sie beispielsweise bei der Bestimmung der tatsächlichen Temperatur eines gewalzten Stahlbandes gegeben sind, das mit großer Geschwindigkeit an der Meßapparatur vorbeiläuft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß es auch unter den in der industriellen Praxis herrschenden Meßbedinungen dieselben Vorteile und insbesondere dieselbe Genauigkeit aufweist wie das bereits bekannte Verfahren. Anders gesagt, wird mit der Erfindung das Ziel angestrebt, das oben beschriebene bekannte Verfahren so auszugestalten, daß es einfacher und zugleich rascher durchgeführt werden kann, um so den Erfordernissen der Praxis besser entsprechen zu können und insbesondere im industriellen Anwendungsbereich befriedigende Ergebnisse zu liefern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer ersten Messung A die Leuchtdichte in dem Oberflächenpunkt des Körpers unter einem Emissionswinkel θ gemessen wird, wobei die gemessene thermische Strahlung in einer ersten Richtung relativ zur Emissionsbene polarisiert ist, daß in einer zweiten Messung B die Leuchtdichte am selben Meßpunkt und unter demselben Emissionswinkel θ gemessen, wird, wobei die gemessene thermische Strahlung in einer von der ersten Polarisationsrichtung verschiedenen zweiten Richtung relativ zur Emissionsbene polarisiert ist, und daß das Emissionsvermögen £ des Körpers mit Hilfe der folgenden Funktion bestimmt wird:

€ = a₁ + (1,05 - |) · (9,3332·1θ"⁸θ⁵ - 2,666·10~⁵θ⁴ + 2,9883·10~³θ³ - 0,16243θ² + 4,18573Θ - 38,49)

( 0,82 < a₁ < 1,12

mit (0 < G₁ ^ 15°
( 75° < Q₂ < 105°

• **« * »ft

wobei θ. und 9„ jeweils den Winkel der Polarisatorachse bei den Messungen A bzw. B relativ zu einer Polarisation senkrecht zur Emissionsbene beschreiben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht mehr erforderlich, die normale Leuchtdichte C an dem betrachteten Oberflächenpunkt des Körpers zu messen. Es brauchen nur noch die Messungen A und B unter demselben Emissionswinkel θ durchgeführt zu werden. Daraus ergibt sich, daß der Abstand zwischen der Meßapparatur und dem Punkt der Körperoberfläche, an dem die Messungen durchgeführt werden sollen, nicht mehr kritisch ist und daß der erfindungsgemäß bestimmte Wert des Emissionsvermögens unabhängig von diesem Abstand ist. Ein derartiges Verfahren kann somit auf einfachere Weise unter industriellen Arbeitsbedingungen durchgeführt werden. Das bekannte Verfahren dagegen konnte in der industriellen Praxis nicht verwendet werden-, da es praktisch nicht möglich war, den oben genannten Abstand konstant zu halten.

Diese Vereinfachung des Meßverfahren führt darüber hinaus zu einer entsprechenden Vereinfachung der Meßapparatur, da diese Meßapparatur nicht mehr die verschiedenen Spiegel und optischen Elemente benötigt, die zur Durchführung des bekannten Verfahrens erforderlich waren, um die unter den Winkeln von 45° und 0° ausgesandten Strahlen auf den Polarisator und das Pyrometer fallenzulassen.

Vorzugsweise wird für den Koeffizienten a₁ ein Wert gleich 1,02 gewählt.

Vorteilhafterweise kann man das erfindungsgemäße Verfahren auf vereinfachte Art und Weise durchführen, .indem man das Emissionsvermögen E aus der folgenden Formel bestimmt:

223873

# W i,

- 10 -

E = 1,02 + (1,05 - |)(1,6267·10~³θ² - 0,22463θ +7,934)

für .40° < θ < 75°,

wobei der Fehler weniger als 3% beträgt.

In der Praxis kann man vorzugsweise Vorkehrungen treffen, insbesondere die Meßapparatur so einstellen und eichen, daß die Messungen unter einem Emissionswinkel von 45° ausgeführt werden und somit.das Emissionsvermögen mit Hilfe der folgenden reduzierten Formel berechnet werden kann:

£ = 2,21 - 1,13 I

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, die tatsächliche Temperatur des Körpers aus einer Entfernung dadurch berührungsfrei zu messen, daß

- das Emissionsvermögen C des Körpers in der vorstehend beschriebenen" Weise bestimmt wird,

daß die normale Leuchtdichte C in dem Punkt der Körperoberfläche, bezüglich dessen die Messungen A und B durchgeführt wurden, aus der folgenden Beziehung bestimmt wird:

= (2,9418·10~¹²θ⁶ - 7,6505·10~¹⁰θ⁵ + 7,046·10~⁸θ⁴

- 4,080-10~⁶θ³ + 1,8053·10~⁴θ² - 1 , 9213·10~³θ + 0,012133) § - 3,8119·10"¹¹θ⁶ + 1,2025 * 1θ"⁸θ⁵

- 1,6018·10"⁶θ⁴ + 1 ,13695Ί0~⁴θ³ - 4 ,6068 · 1 θ"³θ² + 0,09692θ + a₂

·· ft*

- 11 -

mit 0,132 < a₂ < 0,152

und daß die tatsächliche Temperatur des Körpers aus der folgenden Beziehung

c = —i^ki

oder der Näherungsformel

bestimmt wird.

Vorzugsweise wird für den Koeffizienten a~ ein Wert von 0,1420 gewählt.

Bevorzugt werden in der Praxis die Messungen unter einem Emissionswinkel im Bereich von 45° und unter Verwendung der folgenden verkürzten Formel durchgeführt:

= 0,092 I + 0,87

Dank der Erfindung ist es möglich, in einem gewissen Abstand, d.h. berührungsfrei einen charakteristischen Wert (da,s Emissionsvermögen und/oder die tatsächliche Temperatur) eines Körpers auf einfache Weise unter industriellen Arbeitsbedingungen zu messen, dabei jedoch eine Meßgenauigkeit beizubehalten, die wesentlich höher liegt, als die durch klassische Meßverfahren erreichbare Meßgenauigkeit.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Figur, welche in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

223873

Gemäß der Erfindung hat man sich zum 2iel gesetzt, die charakteristischen Eigenschaften (Emissionsvermögen, tatsächliche Temperatur) eines Körpers 1 aus der Analyse der Strahlung 2 zu ermitteln, die von dem genannten Körper unter einem Emissionswinkel θ ausgesandt wird, wobei der Winkel θ den Neigungswinkel der Strahlung 2 gegenüber dem Lot 3 auf die Oberfläche des Körpers 1 im Meßpunkt M bezeichnet.

Es wird angenommen, daß die Oberfläche des Körpers 1, an der die Messung erfolgt, relativ glatt ist.

Die Strahlung 2 tritt zunächst durch einen dichroitischen Polarisator 4, der beispielsweise um eine Viertelumdrehung zwischen zwei Messungen A und B verdrehbar ist, die somit zwei verschiedenen Polarisationszuständen der Strahlung entsprechen.

Hinter dem Polarisator 4. ist ein Interferenzfilter 5 angeordnet, der nur Strahlung mit den gewünschten Wellenlängen λ hindurchläßt.

Die polarisierte und gefiltere Strahlung gelangt anschließend zu einer Detektoreinrichtung 6, die beispielsweise von einer fotoelektrischen Bleisulfid-Zelle 7 gebildet ist, deren Temperatur stabilisiert wird' und die ein Signal liefert, das von einem Modulator 8 verarbeitet wird.

Eine sich an die Detektoranordnung 6 anschließende Wandleranordnung 9 umfaßt einen selektiven Verstärker 10 und einen sich an diesen anschließenden Analog-Digitalwandler

Die so erhaltenen Signale werden schließlich dem Eingang einer Datenverarbeitungseinrichtung 12 zugeführt, die von einem Mikroprozessor (beispielsweise des Typs 6502) oder einen Mikrorechner (beispielsweise APPLE II) gebildet sein kann, der die den Messungen A und B entsprechenden Signale verarbeitet, um den Wert des Emissionsvermögens £ und/oder den Wert der tatsächlichen Temperatur T am Meßpunkt M des Körpers .1 zu ermitteln.

Die dem so erhaltenen Resultat oder den so erhaltenen Resultaten entsprechenden Signale werden schließlich einer Anzeigevorrichtung 13 zugeführt, an der sie in geeigneter Form dargestellt werden.

Bei der Durchführung der Messungen geht man erfindungsgemäß in der folgenden Weise vor:

In einer .ersten Messung A wird die Leuchtdichte am Punkt M der Oberfläche des Körpers 1 unter einem Emissionswinkel θ und für eine erste Polarisationsrichtung gemessen, die einen Winkel Θ.. bezüglich einer senkrecht zur Emissionsebene gerichteten Polarisation aufweist.

Anschließend wird der Polarisator um einen Winkel θ~ bezüglich der senkrecht zur Emissionsebene gerichteten Polarisationsrichtung gedreht. Es wird eine zweite Messung B der Leuchtdichte am selben Punkt M der Oberfläche des Körpers 1 unter demselben Emissionswinkel ausgeführt.

Anschließend wird der Wert des Emissionsvermögens £ mit Hilfe der folgenden Formel berechnet:

ό123873

£ = a., + (1,05 - |) .(9,3332·10"⁸θ⁵ - 2,6666 · 10~⁵θ⁴ + 2,9883·10"³θ³ - 0,16243θ² + 4,18573Θ - 38,49)

dabei gilt für die Winkel θ. und

0 4 O₁ ^ 15°

75°< Q₂ <■ 105°

a₁ bezeichnet einen Koeffizienten mit einem Wert zwischen 0,82 und 1,12, vorzugsweise mit dem Wert 1,02.

In der Praxis erhält man eine akzeptable Fehlerquote von weniger als 3% für Werte des Emissionswinkels θ zwischen 40° und 75°. Das Emissionsvermögen £ kann somit aus der einfacheren Formel berechnet werden:

£ = 1,02 + (1,05 - |)Μ1,6267·1Ο~³Θ² - 0,224630 + 7,934)

Für industrielle Anwendungszwecke kann der Emissionswin kel θ stets gleichbleiben und einen Wert von 45° haben, während die Winkel Θ* und Q₂ gleich 0° bzw. 90° gewählt werden, so daß sich für das Emissionsvermögen ergibt:

£ = 2,21 - 1,13|

Dies entspricht einer Drehung des Polarisators um eine Viertelumdrehung oder, mit anderen Worten₇ senkrecht zueinander gerichteten Polarisationsrichtungen für die Messungen A und B.

Wenn auch der in der Praxis verwendete Wert θ = 45° der Wert ist, der den günstigsten Meßbedingungen zu entsprechen scheint, ist es natürlich möglich, für den Emissionswinkel auch einen anderen Wert zwischen den oben genannten Grenzen zu wählen und eine entsprechend vereinfachte Formel zu bestimmen.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 12 zur Verarbeitung der ermittelten Meßwerte in der in der Figur dargestellten Meßeinrichtung ist so ausgebildet (programmiert), daß sie selbsttätig das Emissionsvermögen aus einer der oben angegebenen Formeln berechnet,und zwar je nach der für den Wert des Emissxonsvermögens gewünschten Genauigkeit.

Nach der Ermittlung des Wertes des Emissionsvermögens £ ist es möglich, die normale Leuchtdichte C im MeJipunkt M aus der folgenden Formel zu berechnen:

= (2,9418-10"¹²O⁶ - 7,6505-1(T¹⁰G⁵ + 7,046·10~⁸θ⁴

- 4,080·10~⁶θ³ + 1,8053'10"⁴G² - 1,9213 · Ί0~³θ

+ 0,012133) § - 3,8119·1Ο~¹¹Θ⁶ + 1 , 2025·10~⁸θ⁵

- 1,6018·10"⁶θ⁴ + 1,13695·10~⁴θ³ - 4,6068·10~³θ² + 0,09692θ + a~

Der Wert des Koeffizienten a~ kann zwischen 0,132 und 0,152 liegen und beträgt vorzugsweise 0,142.

Unter Annahme des oben genannten praktischen Falles, in dem der Emissionswinkel in der Größenordnung von 45° liegt, kann man C mit Hilfe der vereinfachten Formel ermitteln:

w · » · β β S

3223S73

- 16 -

I^ = 0,092| + 0,87

Bei Kenntnis der Werte für £ und C läßt sich nun die tat' sächliche Temperatur des Körpers 1 am Meßpunkt M aus der klassischen Formel

berechnen, in der k.. und k2 die bekannten Konstanten sind. Anstelle dieser Gleichung kann auch die Näherungsformel verwendet werden:

C «£· Jc₁ . λ

"⁵

Natürlich kann auch hier die Berechnung der tatsächlichen Temperatur T des Körpers 1 im Meßpunkt M selbsttätig von der in geeigneter Weise ausgebildeten oder programmierten Datenverarbeitungseinrichtung 12 berechnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet beispielsweise, wenn auch nicht ausschließlich, eine äußerst interessante Anwendung in dem Bereich der metallurgischen Industrie, da es die Möglichkeit gibt, in- einem Kaltwalzwerk in kontinuierlicher Weise die relativ niedrige und in der Größenordnung von 100⁰C liegende Temperatur eines mit großer Geschwindigkeit durchlaufenden gewalzten Stahlbandes zu messen, wobei dieses Material ein geringes Emissionsvermögen in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 besitzt.

Claims

3223S73

S-

Patentansprüche

Λ.)Verfahren zur berührungsfreien Messung des Emissions-, Vermögens eines Körpers mit relativ glatter Oberfläche durch aufeinanderfolgende Messungen der Leuchtdichte in demselben Punkt der Oberfläche des Körpers, wobei die Messungen an thermischer Strahlung mit jeweils verschiedener Polarisationsrichtung durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- in einer ersten Messung A die Leuchtdichte in dem Oberflächenpunkt (M) desKörpers (1) unter einem Emissionswinkel θ gemessen wird, wobei die gemessene thermische Strahlung in einer ersten Richtung relativ zur Emissionsebene polarisiert ist,

- daß in einer zweiten Messung B die Leuchtdichte am selben Meßpunkt (M) und unter demselben Emissionswinkel θ gemessen wird, wobei die gemessene thermische Strahlung in einer von der ersten Polarisationsrichtung verschiedenen zweiten Richtung relativ zur Emissionsebene polarisiert ist, und

- daß das Emissionsvermögen £ des Körpers mit Hilfe der folgenden Funktion bestimmt wird:

= a- + (1,05 - |) · (9,3332·10~⁸θ⁵-2,6666·10~⁵θ⁴ + 2,9883·10~³θ³-0,16243θ²+4,18573θ - 38,49)

( 0,82<a₁<1,12
mit ( 0 <θ'<15°
( 75

° <θ

wobei G₁ und θ₂ jeweils den Winkel der Polarisatorachse bei den Messungen A bzw. B relativ zu einer Polarisation senkrecht zur Emissionsebene beschreiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da-ß für den Koeffizient a₁ ein Wert von 1,02 gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Wert des Emissionswinkels θ zwischen 40° und 75° das Emissionsvermögen £ aus der folgenden Näherungsformel ermittelt wird:

£ = 1,02+(1,05~) · (1,6267·Ίθ""³θ²-Ο,224630+7,934)

wobei der Fehler geringer als 3% ist.
4.' Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Emissionswinkel θ von 45° das Emissionsvermögen aus der folgenden Näherungsformel ermittelt wird:

£ = 2,21-1,13!
5. Verfahren zur berührungsfreien Messung der tatsächlichen Temperatur eines Körpers mit relativ glatter Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Emissionsvermögen £ des Körpers gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bestimmt wird,

- daß die normale Leuchtdichte C in dem Punkt der Körperoberfläche, bezüglich dessen die Messungen A und B

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durchgeführt wurden, aus der folgenden Beziehung bestimmt wird:

^- = (2,9418·10~¹²θ⁶ - 7,6505·10~¹⁰θ⁵ + 7,046-10 ⁸Θ⁴

- 4,080·10"⁶θ³ + 1,8053·10~⁴θ² - 1,9213·10~³θ + 0,012133) I - 3,8119·10~¹¹θ⁶ + 1,2025·1θ"⁸θ⁵

- 1,6018·10~⁶θ⁴ + 1,13695*10"⁴θ³ - 4,6068·10~³θ² + 0,09692θ + a₂

mit 0,132 < a, < 0,152

und daß die tatsächliche Temperatur des Körpers aus der folgenden Beziehung

C =

oder der Näherungsformel

C -

bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Koeffizient a₂ ein Wert gleich 0,1420 gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die normale Leuchtdichte C mit Hilfe der folgenden Näherungsformel bestimmt;

ψ 9 · *

- Sr -

= 0,092 I + 0,87

wobei der Emissionswinkel θ einen Wert in der Gegend von 45° hat.