DE3520691C2

DE3520691C2 -

Info

Publication number: DE3520691C2
Application number: DE3520691A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl.-Ing. Ddr 3010 Magdeburg Dd Dohmeyer; Eberhard Dipl.-Ing. Ddr 3231 Klein-Oschersleben Dd Klein; Franz Dr.-Ing. Ddr 3090 Magdeburg Dd Engel
Original assignee: VEB MESSGERAETEWERK "ERICH WEINERT" MAGDEBURG BETRIEB DES KOMBINATES VEB EAW BERLIN-TREPTOW "FRIEDRICH EBERT" DDR 3011 MAGDEBURG DD
Current assignee: VEB MESSGERAETEWERK "ERICH WEINERT" MAGDEBURG BETRIEB DES KOMBINATES VEB EAW BERLIN-TREPTOW "FRIEDRICH EBERT" DDR 3011 MAGDEBURG DD
Priority date: 1984-08-23
Filing date: 1985-06-10
Publication date: 1988-01-07
Also published as: DE3520691A1; DD234187A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Temperaturmessung auf der Basis der Strahlungspyrometrie.

Die Erfindung ist insbesondere in Strahlungspyrometern mit einer kurzen Einstellzeit anwendbar, die zur Temperaturüberwachung und -regelung von schnell veränderlichen Erwärmungs- oder Abkühlprozessen dienen.

Weiterhin ist die Erfindung in Strahlungspyrometern mit einem großen Dynamikbereich des Detektorsignals und für kleine, tragbare und netzunabhängige, kompakte Strahlungspyrometer zu Kontrollmessungen anwendbar.

In Abhängigkeit vom verwendeten Arbeitsspektralbereich haben Strahlungspyrometer einen sehr unterschiedlichen und zugleich äußerst unlinearen Verlauf ihrer Kennlinie (Signalspannung des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Temperatur des Meßobjektes).

Das Detektorsignal I _Φ ist durch folgenden physikalischen Zusammenhang gekennzeichnet:

I _Φ = K × E × (T ⁿ-T ⁿ₀).

Dabei ist K eine durch physikalische und gerätetechnische Parameter bestimmte Konstante, E der Emissionsgrad, T die zu messende Temperatur, T₀ eine durch den Detektor bestimmte Konstanttemperatur und n ein sich in Grenzen ändernder Exponent.

Für die Linearisierung der Detektorkennlinie sind Schaltungsanordnungen, die nach dem Sekantenverfahren arbeiten, bekannt. Das Sekantenverfahren hat den Nachteil, daß infolge der Approximation der Kennlinie durch Sekanten sich funktionsbedingte Abweichungen bei der Linearisierung der Kennlinie ergeben. Dabei ist der Schaltungsaufwand umgekehrt proportional dem zugelassenen Linearisierungsfehler.

So liegen die erreichbaren Grundfehler zwischen 1 . . . 2,5%, bezogen auf den Meßbereichsendwert, bzw. 1% ± 2K, bezogen auf den Meßbereichsumfang. Erst durch eine wesentliche Erhöhung des Schaltungsaufwandes können 1% ± 1K, bezogen auf den Meßwert erreicht werden. Weiterhin ist der Abgleichaufwand und der Volumenbedarf relativ hoch. Darüber hinaus ermöglichen diese Anordnungen nur einen Dynamikumfang von drei Dekaden, was einen relativ beschränkten Meßbereich in einem vergleichbaren Arbeitsspektralbereich zur Folge hat.

In der DE-OS 22 55 993 wird ein Strahlungspyrometer beschrieben, welches für das Detektorsignal I _Φ einen Exponenten n = 4 voraussetzt. Nachteilig sind hierbei der eingeschränkte Anwendungsbereich auf Gesamtstrahlungspyrometer, da bei Detektorkennlinien mit einem Exponenten n = 3 ein unlineares Ausgangssignal entsteht, die fehlende Kompensation der Umgebungstemperatur bei der Signalverarbeitung und die zusätzlich erforderliche Linearisierungsgruppe.

Ferner sind Schaltungsanordnungen bekannt, die mit Mikrorechnern die Linearisierung der Pyrometerkennlinie vornehmen. Mit diesen Lösungen sind höhere Genauigkeiten von ±0,3% vom Meßbereichsendwert bzw. ±1% vom Meßwert und Meßbereiche von -30°C bis 1100°C bzw. 300°C bis 3000°C erreichbar. Nachteilig ist, daß zusätzlich zur Ansprechzeit des Detektors eine funktionsbedingte Verzögerung im Rechner auftritt, ehe ein temperaturlineares Ausgangssignal geliefert wird.

Die erreichbaren Meßzeiten liegen bei den bekannten Lösungen zwischen 0,25 bis 1 s, was für die Überwachung bzw. Regelung schneller thermischer Prozesse nicht ausreichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur berührungsfreien Temperaturmessung auf der Basis der Strahlungspyrometrie zu schaffen, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingten Fehler für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird und eine kurze Einstellzeit des Strahlungspyrometers ermöglicht.

Weiter besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Einfluß des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Größe des Detektorsignals zu kompensieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für das Verfahren durch die im Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte gelöst.

Bei der im ersten Verfahrensschritt erzeugten Spannung wird durch die mit dem Emissionsgrad bewerteten Konstantströme der Emissionsgradeinfluß auf das Detektorsignal kompensiert und gleichzeitig die Verarbeitung eines großen Dynamikumfangs des Detektorsignals ermöglicht. Die Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das Detektorsignal erfolgt durch den von der Umgebungstemperatur abhängigen Konstantstrom im dritten Verfahrensschritt. Die im dritten Verfahrensschritt exponentiell verstärkte Spannung ist dann der Temperatur T des Meßobjektes proportional. Die aus dem vierten Verfahrensschritt resultierende Spannung bewirkt die Umschaltung des im zweiten Verfahrensschritt benutzten umschaltbaren Spannungsfehler entsprechend dem für verschiedene Temperaturbereiche zutreffende Exponenten n der Detektorkennlinie.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für die Schaltungsanordnung durch die im Anspruch 2 genannten Mittel gelöst. Am Ausgang der Delogarithmiereinheit entsteht dann eine Spannung, die der Temperatur des Meßobjektes proportional ist und bei Erreichen eines bestimmten Wertes die Umschaltung des umschaltbaren Spannungsteilers über den FET-Analogschalter und den Komparator bewirkt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Auf der Basis der Strahlungspyrometrie wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur berührungsfreien Temperaturmessung vorgeschlagen, wobei die Kennlinie des Detektors für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird und der Einfluß des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur auf die Größe des Detektorsignals kompensiert wird. Als Detektor soll eine Fotodiode 1 dienen. Dann ist der Detektorstrom

I _Φ = K × E × (T ⁿ-T ⁿ₀),

wobei K eine Konstante, E der Emissionsgrad, T die Objekttemperatur, T₀ eine vom Detektor abhängige Konstanttemperatur und n ein für bestimmte Temperaturbereiche konstanter Exponent ist.

Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt eine dem logarithmischen Verhältnis zwischen der Summe aus Detektorstrom I _Φ und einem ersten mit dem Emissionsgrad E bewerteten Konstantstrom I _{K 1} zu einem zweiten mit dem Emissionsgrad E bewerteten Konstantstrom I _{K 2} proportionale Spannung U₁ erzeugt. Dazu ist der Ausgang der Fotodiode 1 mit dem Eingang einer temperaturkompensierten Logarithmiereinheit 4 und mit einer Konstantstromquelle 2, die mit einer weiteren Konstantstromquelle 3 gekoppelt ist, verbunden und die Konstantstromquelle 3 auf den Verstärkereingang der Logarithmiereinheit 4 geschaltet. Die einstellbaren und temperaturunabhängigen Konstantstromquellen 2 und 3 sind so dimensioniert, daß

I _{K 1} = I _{K 2} = K × E × T ⁿ₀

ist. Der Ausgang der Logarithmiereinheit 4 liefert dann die Spannung

wobei U _T die Temperaturspannung ist.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Spannung U₁ um den Faktor des Exponenten n der Detektorkennlinie durch einen umschaltbaren Spannungsteiler 5 heruntergeteilt. Dazu ist der Ausgang der Logarithmiereinheit 4 mit dem Eingang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 verbunden, so daß am Ausgang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 eine Spannung

entsteht.

In einem dritten Verfahrensschritt wird die Spannung U₂ exponentiell verstärkt, wobei die Verstärkung von einem Konstantstrom I _{K 3} bestimmt wird, der eine gegenüber dem Detektorstrom I _Φ reziproke Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ϑ besitzt. Dazu ist der Ausgang des umschaltbaren Spannungsteilers 5 auf den Eingang einer Delogarithmiereinheit 6 geschaltet, so daß am Ausgang der Delogarithmiereinheit 6 eine Spannung

entsteht, wobei R _a ein Arbeitswiderstand ist.

Der Konstantstrom I _{K 3} wird von einer umgebungstemperaturabhängigen Konstantstromquelle geliefert. Die Spannung U _a ist dann der Temperatur T des Meßobjektes proportional und der Einfluß der Umgebungstemperatur ϑ wurde kompensiert. In einem vierten Verfahrensschritt wird die Spannung U _a mit verschiedenen Spannungswerten verglichen und der umschaltbare Spannungsteiler 5 wird entsprechend dem für verschiedene Temperaturbereiche zutreffenden Exponenten n umgeschaltet. Dazu ist der Ausgang der Delogarithmiereinheit 6 über mindestens einen Komparator 8 mit mindestens einem FET- Analogschalter, der Bestandteil des umschaltbaren Spannungsteilers 5 ist, verbunden. Die Spannung U _a wird im Komparator 8 mit verschiedenen Spannungswerten einer definierten Spannung U _p verglichen. Beim Überschreiten eines bestimmten Wertes der Spannung U _a erfolgt über den Komparator 8 und den FET-Analogschalter die Umschaltung des umschaltbaren Spannungsteilers 5, so daß ein anderer Exponent n zur Herunterteilung der Spannung U₁ wirksam wird.

Claims

1. Verfahren zur berührungsfreien Temperaturmessung unter Anwendung der Strahlungspyrometrie, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingten Fehler für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Spannung erzeugt wird, die dem logarithmischen Verhältnis zwischen der Summe aus Detektorstrom und einem mit dem Emissionsgrad bewerteten Konstantstrom zu einem weiteren mit dem Emissionsgrad bewerteten Konstantstrom proportional ist, daß in einem zweiten Verfahrensschritt die im ersten Verfahrensschritt erzeugte Spannung durch einen umschaltbaren Spannungsteiler um den Faktor des Exponenten der Detektorkennlinie heruntergeteilt wird, daß in einem dritten Verfahrensschritt die heruntergeteilte Spannung exponentiell verstärkt wird, wobei die Verstärkung von einem Konstantstrom bestimmt ist, der eine gegenüber dem Detektorstrom reziproke Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur besitzt und daß in einem vierten Verfahrensschritt die im dritten Verfahrensschritt exponentiell verstärkte Spannung mit verschiedenen Spannungswerten verglichen und der umschaltbare Spannungsteiler entsprechend dem für verschiedene Temperaturbereiche zutreffenden Exponenten der Detektorkennlinie umgeschaltet wird.

2. Schaltungsanordnung zur berührungsfreien Temperaturmessung unter Anwendung der Strahlungspyrometrie, wobei die Kennlinie des Detektors mit geringem funktionsbedingten Fehler für einen großen Dynamikumfang des Detektorsignals linearisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Detektors mit dem Eingang einer temperaturkompensierten Logarithmiereinheit und mit einer von zwei miteinander gekoppelten einstellbaren, temperaturabhängigen Konstantstromquellen verbunden ist, daß die zweite dieser Konstantstromquellen auf den Verstärkereingang der Logarithmiereinheit geschaltet ist, daß der Ausgang der Logarithmiereinheit über einen umschaltbaren Spannungsteiler mit dem Eingang einer Delogarithmiereinheit, deren Verstärkung durch eine umgebungstemperaturabhängige Konstantstromquelle bestimmt ist, verbunden ist und daß der Ausgang der Delogarithmiereinheit über mindestens einen Komparator an mindestens einen FET-Analogschalter des umschaltbaren Spannungsteilers geschaltet ist.