DE3433584A1 - Strahlungspyrometrisches verfahren zur erfassung von objektiven oberflaechentemperaturen mit reflektometern - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die pyrometrische Temperaturmessung ist oft mit dem Problem behaftet, daß sich,besonders bei Messungen im Bereich bis 6000 C, der Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit sehr störend auf die Anzeige der vom Ergebnis her erwarteten " objektiven " Temperatur auswirkt.
• Physikalisch ändert sich also mit den verschiedenen Oberflächenzuständen die material - und wärmebehandlungsabhängig sind, der Emissionskoeffi -zient.
• Besonders problematisch sind dabei, nach dem Werkstoff oder dem Basismaterial betrachtet, Aluminium und Aluminiumlegierungen.
• Der Emissionskoeffizient hat ursächlich zwei wesentliche Komponenten 1) Die Farbe der Oberfläche, abhängig vom chemischen Aufbau des zu ver -messenden temperierten Festkörpers und seiner Wärmebehandlung ( Oxidationsverhalten ). Bei Aluminiumlegierungen führt das zu mit dem Auge gut wahrnehmbaren farblichen Abstufungen, die unabhängig von der Farbe ( es können beispielsweise bräunliche oder bläuliche Oberflächen auftreten hier mit dem Begriff des " visuellen Grauwerten " gekennzeichnet werden sollen.
• 2) Die Rauhigkeit der zu vermessenden temperierten Oberfläche. Sie kann in weiten Bereichen sehr unterschiedlich sein, wobei für das Beispiel der Aluminiumlegierungen als Extreme die Oberflächen von Strangguß und die richtungsmäßig einsinnig verlaufenden Matrizenmarkierungen auf Strangpreßhalbzeug zu nennen sind.
• Mit dem Einfluß des wechselnden Emissionskoeffizienten wird der Meßfehler bei den die objektive Temperatur anzeigenden Strahlungspyrometern so groß, daß Fehler von mehr als 1000 C nicht selten sind und damit derartige Anlagen für einen weiten Bereich der Praxis unbrauchbar werden. Das gilt sogar für die nach dem Stand der Technik gebauten Ouotientenpyrometer, insbesondere wenn auf die konsequente Nutzung der den Einfluß des Emissionskoeffizienten mildernden Mehrfachreflexion verzichtet wird.
• Es besteht daher die technische Aufgabe, über ein zusätzliches und am Pyrometer arbeitendes Meßverfahren die Oberflächenbeschaffenheit des temperiertenj4jßobjektes < Strahlers > mindestens diskontinuierlich zu erfassen und ein so gewonnenes Meßergebnis zur Eliminierung des Emissionskoeffizienten in eine Korrelation mit dem Signal des danach messenden Strahlungspyro -meters zu bringen.
• Für die technische Lösung der Aufgabe werden Reflexionsfotometer Reflektometer ) verwendet, die mit einem primär emittierten Licht die Oberfläche des erwärmten Meßobjektes anstrahlen und aus der Ver -messung des rückgestreuten bzw. reflektierten Lichtes eine Maßzahl für die Färbung der Oberfläche und deren Rauhigkeit als komplexe Meßgröße generieren.
• Nach zahlreichen Versuchen mit solchen Anordnungen zeigte es sich, daß die Einstrahlung des primären Meßlichtes mit 90 Winkelgrad zur Ober -fläche sich gut eignet für die Erfassung des farblichen Gesamteindruckes ( " visueller Grauwert " ), ein solcher Winkel aber weniger geeignet ist zur Erfassung der Rauhigkeit. Dazu ist es wesentlich besser, eine flache Einstrahlung des primären Reflektometermeßlichtes herbeizuführen, weil dann die Morphologie der Oberfläche hinreichend genau erfaßt wird. Diese Arbeitsweise kann bis zur Erzeugung einer Dunkelfeldbeleuchtung getrie -ben werden. Dann ist es besonders günstig, wenn die Messung des reflektierten oder rückgestreuten Lichtes im Verlauf der Probennormalen erfolgt.
• Die technische Lösung der Aufgabe zeigt Bild 1 als beispielhafte Schnittdarstellung.
• Daraus ist zunächst erkenntlich, daß das neuartige Strahlungspyrometer bewußt auf mechanisch funktionierende Strahlunterbrechungssysteme (Chopper) verzichtet.
• Werden im System solche Sensoren gebraucht, die zur Funktion unabdingbar eine periodische Unterbrechung der Wärmestrahlung benötigen, so dienen für diese Choppereinrichtung für die Wärmestrahlung zunächst durchlässige Keramiken, die mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes den Durchgang von infraroter Wärmestrahlung beeinflussen und auch sperren können. Beim Einsatz von vorzugsweise elektrisch gekühlten Infrarot - Bleisulfid-Destektoren kann darauf verzichtet werden, so daß auch der Aufwand an elektrischer Beschaltung geringer wird.
• Das Quotientenpyrometer befindet sich in einem bei Bedarf auch gasdicht mit den Deckel - und Bodenflanschen (1) (2) über Stehbolzen (6) ver -schließbaren Gehäuse (3). Die Gasdichtigkeit bezieht sich auf die Möglichkeit, das Gehäuse zum Schutze der darin befindlichen Komponenten optischer und elektrischer Art mit Schutzgas füllen und/oder evakuieren zu können. Als Schutzgase eignen sich beispielsweise Stickstoff oder synthetische Luft.
• Fas Pyrometer wird mit der unten am Gerät angesetzten und als " Lichtkasten " bezeichneten Halterung (26) für die schräg zur Probenoberfläche wirkenden Reflektometer über aufgelötete (22) oder eingebettete(23) -3- Kühlstoffleitungen vor thermischen Beschädigungen durch das warme Meßobjekt (28) geschützt. Die über die Rohranschlüsse (29) und (30) ein -bzw. ausgeleitete Flüssigkeitskühlung wirkt im Innern des Pyrometers nicht nur auf die Komponententräger (7), sondern sie dient auch der Abführung von Verlustwärme, die von den Sensor - Peltierkühlungen (19) herrührt. Außen und innen ist das hier beispielhaft mit zylindrischer Bauweise realisierte Pyrometergehäuse meist in Form von Rohrleitungen (22) (23) für die Kühlung bestückt, die teils in spiraliger Form Außenwand, Lichtkasten ) oder in ebener Form ( Komponententräger appliziert werden. Die Verbindung von einzelnen gebogenen Rohrleitungssegmenten erfolgt innen mit normalen Kunststoffschläuchen; außen sind sie - vor allem im unteren thermisch besonders gefährdeten Bereich - gegen Wärmeeinstrahlung durch Verkleidung mit oder ohne Metallfolienumwicklung geschützt, wobei auch die Führung in gekühlten Rohren benutzt wird.
• Letzteres erfolgt auch für die elektrischen Verbindungen (27) zum "Licht kasten (26)". Dieser dient außer der Halterung von im Beispiel zwei paarig angeordneten und die Probenoberfläche schräg anvisierenden Reflektometern (15 A ) auch der Vermeidung oder Verminderung von eintretendem Umgebungslicht. Eine gewisse Kühlwirkung bewirkt auch das im Rohrstutzen (24) eintretende Schutzgas. es dient vorzugsweise der Sauberhaltung des optischen Fensters (14), das im unteren Flanschausschnitt (5) den Durchtritt von drei getrennt zu betrachtenden Strahlengängen ermöglicht 1) Temperaturstrahlung (28) 2) Primärlicht des im Pyrometergehäuse befindlichen Reflektometers (15) 3) Reflexions- oder Streulicht vom Meßobjekt zum Reflektometer (15) , erzeugt auch von der Beleuchtung durch die schräg angebrachten Reflekto -meter (15 A Die Reflektometer bestehen aus einer üblichen Projektionseinrichtung mit den Einzelteilen von Lichtquelle (16), Kondensor (17) und Abbildungsoptik (18), die mit den fokussierten Randstrahlen die Beleuchtung des Meßfleckes ermöglicht. der zentrale Strahlengang ist abgedeckt mit einer konzentrischen Blende am verstärkerintegrierten Fotozellen - oder Foto-Widerstandsempfänger (9 A ). So kann sichergestellt werden, daß der Anteil des Primärlichtes die Messungen des reflektierten oder rückgestreuten Lichtes nicht verfälscht. Mit dem Fotozellen - oder Fotowidertstandsempfänger (9 B) wird in jedem Reflektometer die Differenzmessunezu ( 9 A) hergestellt, was elektronisch der Operations - Differenz - Verstärker (11) erreicht. Zur Abführung der Verlustleistung der Reflektometerlampe wird diese am Tubus dieser Einrichtung ebenfalls an die Flüssigkeits -kühlung angeschlossen. Als Kühlmittel kann auch einfaches raumtemperiertes Leitungswasser gebraucht werden. Die fieflektometer (15) und (15 A ) sind in den Halterungstuben bauartgleich. Zusätze betreffen die Möglichkeit, das austretende Primärlicht und/oder das zurückkehrende Licht mit Filtern zu beeinflussen. Das ist notwendig, wenn die Ober -fläche des thermischen Strahlers (28) nicht " weiß " strahlt( wie etwa bei dem silberfarbigen Reinaluminium ), sondern die sich bildenden Oxide bestimmte Farben annehmen ( wie z.B. braune Tönungen bei den Al - Mg -Legierungen ).
• Zum Verlauf der thermischen Strahlung ist zu bemerken, daß diese nach dem Durchtritt des mit seiner Dichtung eingesetzten und am Ubergang von Glas ( Keramik) zu Metall gekühlten Fensters von unten nach oben zunächst zwei gekühlte Komponententräger passiert, welche zunächst die Blenden erster und zweiter Art tragen. Diese Blenden werden auch zur Fixierung der optischen Bauelemente (12) und (13) benutzt. Mit (12) sind die Infrarotfilter - meist Schmalbandinterferenztypen - zur Auslese von zwei verschiedenen Wellenlängen aus dem gesamten Spektralbereich der Wärmestrahlung dargestellt. Die spezielle für IR - Strahlung durchlässige und mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes zu deren Sperrung geeignete Keramik (13) wird indessen nur benötigt, wenn die Sensoren zur physikalischen Wirksamkeit einen Chopper benötigen( TGS oder spezielle Keramiken, die als Meßprinzip die geänderte Ladung von wärmestrahlungsempfindlichen Kondensatoren nutzen ).Die dann verwendete Chopperkeramik besteht dann beispielsweise aus Blei- Zirkonat - Titanat.
• Der Wärmestrahlengang erreicht dann innen verspiegelte Tuben (21), die speziell zur Ausnutzung von Mehrfachreflexion entsprechend dimensioniert werden. In den gekühlten Tuben befinden sich dann die Sensoren (Detek -toren ) zur Wandlung der thermischen Strahlung, die hier für zwei Wellenlängen durch Filterung aufbereitet werden, in elektrische Ströme oder Spannungen. Zur Unterdrückung der Nullpunktdrift sind die Sensoren elektrisch mit den Peltierelementen (19) gekühlt. Die Regelung auf Temperaturkonstanz wird über Temperaturfühler, in diesem Beispiel mit Ther -mistoren, durch eine außen befindliche Schaltung erreicht.
• Das aus den Infrarotsensoren gelangende elektrische Signal erfährt getrennt mindestens eine vorverstärkung im Pyrometergehäuse durch inte -grierte Schaltungen (10).
• Alle elektrischen Verkabelungen werden im Pyrometer möglichsielfachleitungen geführt und sind für die Demontage in einer Schlaufe(20) aufgehängt, die an einem Komponententräger (7) eine Halterung findet. Zur Verbindung des Pyrometers mit einem Auswertungsgerät ( Baugruppenträger mit steckkarten ) dient die Mehrfachsteckverbindung (4), welche gasdicht mit dem oberen Flanschdeckel verbunden ist. Darin werden die verstärkten Sensorsignale und der Ausgang des inneren Reflektometer - Differenzverstärkers in geschirmter Koaxialtechnik ausgeführt. Die Mehrfachsteckverbindung beinhaltet auch die Kontakte für die Elektrik und Elektronik des " Lichtkastens (26) Bei hinsichtlich des Wärmestrahlenganges fokussierten Pyrometern der oben besprochenen Bauart fügt man die dazu erforderliche, im Bild nicht dargestellte, üblicheweise bekannte Optik im Bereich es Fensteraus -schnittes (5) zwischen dem Tubus des inneren Reflektometers (15) und dem eigentlichen Fenster (14) ein. Dabei braucht lediglich der Abstand vom Tubus zum Fenster durch ein längeres Pyrometergehäuse verändert werden, wobei zusätzlich eine weiterer gekühlter Komponententräger vom Typ nach Darstellung (7) eingebaut wird. Ähnliches gilt für den Einbau von Farbfiltern vor die Reflektometer, die bei der Ausführung (15 A einen eigenen Abschluß mit kleineren Fenstern aufweisen, da sie nicht für den Empfang von Wärmestrahlung eingerichtet werden müssen.
• Die Verarbeitung der vom Pyrometer abgegebenen Analogsignale erfolgt nach einer Digitalisierung in gesonderten Elektroniksystemen, die über mindestens einen programmierbaren Rechner verfügen. Dort erfolgt die Korrelation von Pyrometer - und Reflektometersignalen zwecks Eliminierung des Emissionskoeffizienten oder anders ausgedrückt zur Berücksichtigung des Emissionskoeffizienten für die Errechnung der objektiven Temperatur.
• Dies Folgeeinrichtungen entsprechen in der Auslegung den normalen Anforderungen an den menschlichen Geist , gehören zum Stand der Technik und sind einschließlich der programmierten Pyrometersteuerung mit der gesamten Software nicht Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung.
• Das Verfahren läßt sich bezüglich der patentbegründenden Merkmale im Hinblick auf die Gestaltung und Wirkungsweise der Reflektometer in verschiedener Weise optimieren. Das ist umso mehr erforderlich, je schwieriger die Differenzierungen der Oberfläche nach Farbe und Rauhigkeit werden.
• Speziell bei der Einflußnahme von Farben auf die komplexen Eigenschaften des Emissionskoeffizienten ist es von Vorteil, wenn man die Reflekto -meter so aufbaut, daß entweder das nur reflektierte oder gestreute Meß -licht in der Art von Farbfotometern vor der Messung solche Filter passiert, die mit ihrer Transmission auf die Wellenlänge des empfangenen sichtbaren oder unsichtbaren ( infraroten bzw. ultravioletten ) Lichtes abgestimmt sind. Für diese Aufgabe benutzt man vorzugsweise Schmalbandfilter, die auch nach dem Bandpaßsystem mit der Nutzung von Interferenz und Totalreflexion aufgebaut sein können.
• Für die Erfassung von sich ändernden farblichen Differenzierungen ist die Bestückung mit nach der Transmission ( Wellenlänge ) fest eingestellten Reflektometern, die auch bereits das primäre Meßlicht als Farblicht auf die Meßprobenoberfläche aufbringen können, nicht immer ausreichend. Dann empfiehlt sich die Verwendung von Farbfilterwechselvorrichtungen vor den Reflektometern, wobei diese entweder nur den Teil der reflektierten oder gestreuten Lichtstrahlung beeinflussen oder bei speziellen Anforderungen auch mit in den strahlengang des primären Meßlichtes gebracht werden.Der Filterwechsel erfolgt dabei mittels Programmsteuerung, die vorzugsweise außerhalb des Pyrometers aufgebaut ist, und die auch die Meßzyklussteuerung für das Pyrometer übernimmt ( Pyrometrische Wärmestrahlungsmessung und Reflektometermessungen in rhytmischer Reihenfolge ). Außerdem übernimmt ein solches Programm , wie im Text bereits vorhergehend beschrieben, die berechnende Auswertung aller Signale für die Ermittlung der objektiven Temperatur.
• Speziell die " heißen , Strahler als Meßobjekte gefährden die am Pyrometeraufbau unten im Lichtkasten applizierten Reflektometer, die auch paarig mit einem Versatz von 180 Winkelgrad zu mehreren Paaren bei unterschiedlichen Meßrichtungen ( Anstrahlwinkeln ) gegenüber der zu ver -messenden und temperierten Oberfläche angeordnet sein können, bezüglich der thermischen Belastbarkeit, obwohl sie selbst am Gehäuse ( Tubus ) flüssigkeitsgekühlt sind. Zusätzlich wirken dann gekühlte Blenden an der Seite der Licht ein - und Austritte der Reflektometer für die betriebssicherheit der Anlage.
• Es hat sich bei der Verwendung des beschriebenen Verfahrens als günstig herausgestellt, im Meßprogramm wenigstens teilweise die Messungen des Reflexions - oder Streulichtes so durchzuführen, daß das primäre Meßlicht von den schräg einstrahlenden Reflektometern kommt, der Empfang des refelektierten oder rückgestreuten Lichtes aber von dem Reflektometer erfolgt, welches sich senkrecht zur Probenoberfläche befindet. Für eine solche apparative Auslegung des Verfahrens haben sich zur Generierung des primären Meßlichtes auch Ringleuchten oder ringförmig positionierte Einzelleuchten bewährt, die kranzförmig das im unteren Flanschdeckel befindliche Pyrometerfenster auf der Seite des angeflanschten " Lichtkstens " umgeben.
• Das Verfahren kann auch so arbeiten, daß die Reflektometer unsichtbares ( infrarotes oder ultraviolettes ) Licht benutzen und diese:-auch in Kctnbination mit Reflektometern, die sichtbares Licht führen, wechselweise betrieben werden.
• Mit den oben beschriebenen Verfahrensvarianten ist es erfindugsgemäß nun gelungen, im Emissionsverhalten stark schwankende thermische Strahler als Meßobjekte mit Strahlungspyrometrie so erfassen zu können, daß die Errechnung einer objektiven Temperatur besser gelingt als mit bisher bekannten Verfahren.
• Herangezogene Patentliteratur : DT - PS 21 23 480 - L e e r s e i t e -

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCHE 1) Verfahren zur rechnergestützten Erfassung objektiver Oberflächentemperaturen mit einem Strahlungspyrometer unter Ausschluß von mechanischen Strahlunterbrechungseinrichtungen ( mechanischen Choppern) bei Verwendung von mindestens zwei auf verschiedenen Wellenlängen der zu vermessenden Strahlung arbeitenden Detektoren ( Sensoren ) mit einer Einrichtung zur diskontinuierlichen optischen Vermessung der Oberflächenbeschaffenheit des temperierten Meßobjektes ( Strahlers ) durch Reflexionsfotometer ( Reflektometer ) zur Korrelation der daraus gewonnenen Signale mit den Pyrometersignalen als Berücksichtigung schwankender Emissionskoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vermessung der Oberflächenbeschaffenheit aus der Kombination von mindestens zwei Reflektometern besteht, die jeweils unter verschiedenen fest eingestellten Winkeln die Meßprobenoberfläche anstrahlen 2) Verfahren nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß von den Reflektometern mindestens eins die Einstrahlrichtung von 90° zur Meßprobenoberfläche einhält und dieses Reflektometer auch im Inneren des Pyrometers aufgebaut sein kann.

   3) Verfahren nach den Ansprüchen 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Reflektometer die Oberfläche so flach anstrahlt, daß eine Dunkelfeldbeleuchtung realisiert wird.

   4) Verfahren nach den Ansprüchen 1 ) bis 3), dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Reflektometern mit geradzahliger Vielfalt der Einstrahlrichtungen immer zwei versetzt um 1800 als Paar den gleichen Einfal lwinkel aufweisen.

   5) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektometer entweder für den austretenden primären Meßlichtstrahl und/ oder für den zu empfangenden Reflexions- oder Streulichtstrahl mit Farbfiltern für einen Transmissionsbereich ( eine Schwerpunktwellenlänge bei Schmalbandfiltern) ausgerüstet sind.

   6) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 4 ), dadurch gekennzeichnet daß die Reflektometer entweder für den austretenden primären Meßlichtstrahl und / oder für den zu empfangenden Reflexions- oder Streulichtstrahl mit Farbfiltern für verschiedene Transmissionsbereiche ( verschiedene Wellenlängen bei Schmalbandfiltem) ausgerüstet sind.

   7) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß vor die Reflektometer ferngesteuert verschiedene Filter gebracht werden können.

   8) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 7), dadurch gekennzeichnet, daß vor den Reflektometern zusätzlich gekühlte Blenden eingebaut sind.

   9) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 8), dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektometer mitFnfrarotem Licht arbeiten.

   10) Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 9), gekennzeichnet dadurch, daß daß das Primärmeßlicht nur von den schräg zur Meßprobenoberfläche wirkenden Reflektometern kommt und das reflektierte und/oder gestreute Licht nur von dem senkrecht zur Probenoberfläche wirkenden Reflektometer gemessen wird.

   1l)Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 10), dadurch gekennzeichnet, daß als primäres Meßlicht eine zusätzlich über der Meßoberfläche befindliche Ringleuchte benutzt wird, die auch in Form von diskret aufgebauten Einzellichtquellen verwendet werden kann.

   12)Verfahren nach den Ansprüchen 1) bis 11 ), gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektometer abwechselnd mit sichtbarem und unsichtbarem ( infrarotem oder ultravioletten ) Meßlicht arbeiten.