DE3605737A1 - Method and device for contactless temperature measurement - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien, die insbesondere Licht, Wärme und Mikrowellen abstrahlen, bei dem über die Messung der Strahlungsleistung die Temperatur bestimmt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens, mit einem Detektor und einer Signalauswertung zur Ermittlung der Temperatur über die Messung der Strahlungsleistung.The invention relates to a method for contactless Measurement of the temperature of solids, liquids and gaseous media, in particular light, heat and emit microwaves at which over the measurement the radiant power the temperature is determined. The The invention also relates to a device for through implementation of this method, with a detector and a Signal evaluation to determine the temperature via the Radiant power measurement.
Temperaturmessung oder Temperaturregelungen erfolgen bisher bekannterweise entweder mittels Thermoelemente oder Temperaturmesswiderstände, die in direktem guten thermischen Kontakt mit dem Messobjekt stehen müssen. Die Thermospannung oder der Meßstrom wird durch elek trische Leitungen zum Auswertegerät übertragen, das von der Meßstelle relativ entfernt angeordnet sein kann.Temperature measurement or temperature controls take place previously known either using thermocouples or temperature measuring resistors that are in direct good must be in thermal contact with the measurement object. The thermal voltage or the measuring current is by elec transfer trical lines to the evaluation device, which is from the Measuring point can be arranged relatively distant.
Es sind auch berührungslose Temperaturmeßverfahren für Wärmestrahlung bekannt, die durch optische Meßgeräte, wie Pyrometer, erfaßt und ausgewertet werden. Hierbei muß die zu messende Oberfläche mit dem Pyrometer in Sichtkontakt sein, wodurch die Meßstreckenlänge begrenzt wird. Abgese hen davon, hängt die gemessene Leistung vom Emissionsfak tor der Oberfläche und von den Übertragungsverhältnissen der zwischen Oberfläche und Pyrometeroptik liegende Strecke ab. Bei den Wärmebehandlungsverfahren kann sich das Emissionsvermögen der Oberfläche ändern, oder es kann zwischen Oberfläche und Optik Absorption von Wärmestrah lung durch Gase, Staubteilchen oder Dämpfe stattfinden, die das Meßergebnis nachteilig beeinflussen. Wegen des aufwendigen optischen Strahlungsammelsystems und der er forderlichen umfangreichen Detektor- und Signalverarbei tung ist dieses Verfahren kostspielig und verlangt zur Durchführung geschultes Personal.There are also non-contact temperature measurement methods for Heat radiation known by optical measuring devices, such as Pyrometer, recorded and evaluated. Here, the Surface to be measured with the pyrometer in visual contact be, whereby the length of the measuring section is limited. Abgeese The measured power depends on the emission factor gate of the surface and the transfer ratios the one between surface and pyrometer optics Route from. The heat treatment process can change the emissivity of the surface, or it can between surface and optics absorption of heat rays by gases, dust particles or vapors, that adversely affect the measurement result. Because of the complex optical radiation collection system and he extensive detector and signal processing required tion, this process is expensive and requires Execution of trained personnel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmes sung zu schaffen, die sich durch hinreichende Genauigkeit und vergleichsweise geringen apparativen Aufwand aus zeichnet. Insbesondere sollte es ermöglicht werden, die Messung in beliebiger Entfernung von dem zu messenden Objekt durchzuführen.The invention has for its object a method and a device for non-contact temperature measurement to create solution that is characterized by sufficient accuracy and comparatively little outlay on equipment draws. In particular, it should be allowed to Measurement at any distance from the one to be measured Object.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der Strahlung in einen Kanal aufgefan gen durch Reflexion im Kanal weitertransportiert und an schließend der Messung zugeführt wird. In den Patentan sprüchen 2 bis 4 werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben. Die Patentansprüche 5 bis 14 betreffen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens.This object is achieved in that at least a portion of the radiation is caught in a channel transported and reflected by reflection in the canal is finally fed to the measurement. In the patent say 2 to 4 are preferred embodiments of the Procedure described. Claims 5 to 14 relate to a device for performing the inventions method according to the invention.
Die vorliegende Erfindung betrifft demzufolge ein kon taktloses Temperaturmeßsystem, das die vorteilhaften Ei genschaften der berührenden Temperaturmessung mittels Thermoelementen oder Temperaturmeßwiderständen mit denen der kontaktlosen Temperaturmessung durch Pyrometer verei nigt. Die Erfindung basiert auf die physikalische Er kenntnis, daß Strahlungen, wie sichtbares Licht, Wärme strahlen oder Mikrowellen, die von dem zu untersuchenden Objekt emittiert werden, durch einen in der Nähe ange brachten, vorzugsweise rohrförmigen Kanal geleitet wer den können. Eine Optik zum Auffangen der Strahlung ist dabei nicht notwendig. Die Strahlung wird an der Innen wandung des Kanals mehrmals reflektiert und dann auf ei nen, weiter entfernt angebrachten Detektor gerichtet.The present invention accordingly relates to a con tactless temperature measuring system, which the beneficial egg properties of the touching temperature measurement by means of Thermocouples or temperature measuring resistors with those contactless temperature measurement using pyrometers nends. The invention is based on the physical Er knows that radiations, such as visible light, heat radiate or microwaves from the subject to be examined Object to be emitted by a nearby brought, preferably tubular channel who who that can. An optics for collecting the radiation is not necessary. The radiation is on the inside wall of the channel reflected several times and then on egg a more distant detector.
Erfindungsgemäß wird der Kanal, der vorzugsweise einen Innendurchmesser zwischen 0,1 mm bis wenige Millimetern aufweist, in relativ geringer Entfernung zur Meßoberflä che, vorzusgweise in einem Abstand von 0,1 mm und einigen Zentimetern, angeordnet. Der Kanal besteht aus einem Ma terial mit hohem Reflexionsvermögen für die Strahlung. Als vorteilhaft haben sich dabei Rohre aus unterschied lichen Metallen und Legierungen, z.B. Aluminium, Stahl, Kupfer, Nickel, Messing, Wolfram und dgl. erwiesen. Solche Metalle und Legierungen weisen ein hohes Ref lexionsvermögen für Strahlung im sichtbaren und infraro ten Spektralbereich der Wärmestrahlung auf. Zum anderen wird bei quasi streifendem Strahlungseinfall das Refle xionsvermogen erhöht und dadurch eine fast 100 prozentige Transportleistung erreicht werden. Lediglich Ober flächenrauhigkeiten, die wesentlich größer sind als die Wellenlänge der Strahlung müssen beseitigt sein. Eine Re flexion läßt sich auch bei Kunststoff- oder Glasrohren erzielen, deren Innenwandung mit einer geeigneten Be schichtung versehen ist, wie sie bei Mikrowellenleitern oder Hohlleitern vorkommen.According to the channel, which is preferably a Inner diameter between 0.1 mm and a few millimeters has, at a relatively short distance from the measuring surface che, preferably at a distance of 0.1 mm and some Centimeters, arranged. The channel consists of a Ma material with high reflectivity for radiation. Tubes from have differed as being advantageous metals and alloys, e.g. Aluminum, steel, Copper, nickel, brass, tungsten and the like. Such metals and alloys have a high ref Lexivity for radiation in the visible and infrared th spectral range of heat radiation. On the other hand the reflect xions assets increased and thereby an almost 100 percent Transport performance can be achieved. Only waiter surface roughness that is much larger than that The wavelength of the radiation must be eliminated. A re flexion can also be used with plastic or glass pipes achieve the inner wall with a suitable loading Layering is provided, as in microwave conductors or waveguides occur.
Hat der Kanal aus Gründen einer praktischen Verlegung Biegungen, dann kann die Strahlung erfindungsgemäß durch einen Spiegel umgelenkt werden. Hierfür wird der an der Umlenkung gewinkelte Kanal an der Spitze der Umlenkung schräg abgeschnitten und die Schnittfläche wird durch den Spiegel abgedeckt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Um lenker ist hoch effizient und relativ leicht herstellbar. Würde man dagegen entlang von Kreissektoren gebogene Rohre verwenden, so würde ein relativ hoher Verlust von transmittierter Strahlung auftreten.Has the channel for reasons of practical laying Bends, then the radiation can pass through according to the invention a mirror can be redirected. For this, the at the Deflection angled channel at the top of the deflection cut at an angle and the cut surface is covered by the Mirror covered. The proposed order according to the invention handlebar is highly efficient and relatively easy to manufacture. Would you be curved along sectors of a circle? Use pipes, so a relatively high loss of transmitted radiation occur.
Für die Fertigung des erfindungsgemäßen Umlenkers sind konventionelle Kupferrohre oder Rohre aus ähnlichen hochreflektierenden Metallen mit hinreichend niedriger Oberflächenrauhigkeit einsetzbar. Es ist kein extra Po liervorgang notwendig. Die Rohre werden nur geschnitten oder gefräst und danach geklebt oder gelötet. Der eigent liche Spiegel ist das einzige Bauteil, das höhere Anforderungen erfüllen soll. Die Spiegeloberfläche muß sehr glatt sein und ein hohes Reflexionsvermögen für die umzulenkende Strahlung aufweisen. Für den sichtbaren und infraroten Spektralbereich können Glasspiegel eingesetzt werden, die mit einer entsprechenden Metallschicht, z. B. aus Silber oder Aluminium, bedampft worden sind. Auch Me tallspiegel sind geeignet. Solche spiegelähnliche Umlen ker für Strahlung ergeben z. B. für Wärmestrahlung von etwa 500°C im Falle von Rohren mit 15 mm innerem Durch messer eine Effizienz von über 80% oder im Falle von Roh ren mit 8 mm innerem Durchmesser eine Effizienz von über 90%.For the manufacture of the deflector according to the invention conventional copper pipes or pipes made of similar highly reflective metals with sufficiently low Surface roughness can be used. It is not an extra bottom necessary. The tubes are only cut or milled and then glued or soldered. The real mirror is the only component, the higher one Should meet requirements. The mirror surface must be very smooth and have a high reflectivity for that have radiation to be deflected. For the visible and Glass mirrors can be used in the infrared spectral range be covered with an appropriate metal layer, e.g. B. made of silver or aluminum. Me too tall mirrors are suitable. Such mirror-like deflections ker for radiation z. B. for heat radiation from about 500 ° C in the case of pipes with 15 mm internal diameter knife an efficiency of over 80% or in the case of raw with an inner diameter of 8 mm an efficiency of over 90%.
Erfindungsgemäß lassen sich für die zu transportierende Strahlung Transmissionsrohre oder Systeme anordnen, die abwechselnd aus geraden Rohren und aus Spiegelumlenkern bestehen. Dadurch kann die Auswertungsanlage relativ weit weg von der Meßstelle angebracht werden.According to the invention can be transported Arrange radiation transmission tubes or systems that alternating from straight tubes and mirror deflectors consist. As a result, the evaluation system can be relatively far be installed away from the measuring point.
Erfindungsgemäß wird die durch den Kanal transportierte Strahlung von einem Detektor erfaßt, der mit dem anderen Ende des Kanals verbunden ist. Hierzu können verschiedene Detektoren herangezogen werden. Dabei muß die spektrale Empfindlichkeit des Detektors an die von dem Meßobjekt ausgesandte Strahlung angepaßt werden. Die Wärme strahlung z. B. liegt nach dem Planck′schen Strahlungs gesetz im infraroten Spektralbereich, d. h. zwischen einigen Mikrometern und etwa 30 µm Wellenlänge, solange die Strahlertemperatur unter etwa 700°C liegt. Bei höhe ren Strahlertemperaturen wird ein Anteil kurzwelliger, sichtbarer Strahlung emittiert. Verwendbar sind z. B. thermische Detektoren, wie Bolometer, oder pyroelektri sche Detektoren, die im Spektralbereich zwischen etwa 0,5 µm, also sichtbares Licht, und 20 µm, also Infrarotstrah lung, eine einigermaßen von der Wellenlänge unabhängige Empfindlichkeit zeigen.According to the invention, it is transported through the channel Radiation from one detector is detected by the other End of the channel is connected. Various can do this Detectors are used. The spectral Sensitivity of the detector to that of the measurement object emitted radiation can be adjusted. The warmth radiation z. B. lies after the Planck radiation law in the infrared spectral range, d. H. between a few micrometers and about 30 µm wavelength as long the heater temperature is below about 700 ° C. At height a portion of short-wave, visible radiation emitted. Are z. B. thermal detectors, such as bolometers, or pyroelectri cal detectors in the spectral range between about 0.5 µm, ie visible light, and 20 µm, ie infrared ray lung, a somewhat independent of the wavelength Show sensitivity.
Auch Detektoren aus Bleiselenid, Bleisulfid, Germanium oder anderen Halbleitermaterialien sind geeignet. Wenn die Strahlertemperatur im Bereich zwischen etwa 200°C und 1000°C liegt, weisen Bleisulfid-Detektoren ein relativ hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Bei wesentlich hö heren Temperaturen, insbesondere über etwa 1300°C, sind auch noch Detektoren, die für kürzere Wellenlängen em pfindlich sind, vorteilhaft einzusetzen, z. B. Silizium- Detektoren.Also detectors made of lead selenide, lead sulfide, germanium or other semiconductor materials are suitable. If the heater temperature in the range between about 200 ° C and 1000 ° C, lead sulfide detectors have a relative high signal-to-noise ratio. With significantly higher higher temperatures, especially above about 1300 ° C also detectors for shorter wavelengths em pfindlich are advantageous to use, for. B. silicon Detectors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem De tektor geeignete optische Filter angebracht oder es wird eine Kombination der Signale von zwei Detektoren mit un terschiedlicher spektraler Empfindlichkeit bestimmt. Hierbei handelt es sich um Zweifarbenpyrometrie. Der Quotient der Strahlungsleistung in zumindest zwei ver schiedenen spektralen Kanälen ist dann direkt proporti onal zur Strahlertemperatur. Man empfängt dabei zwar geringere Strahlungsintensitäten, die erhaltene Informa tion ist jedoch in gewissen Grenzen unabhängig vom Emmi sionsvermögen des zu messenden Objekts sowie von Strahlungsverlusten durch Absorption und Reflexion in der Atmosphäre und an den Rohren, solange diese Verluste in den beiden spektralen Bereichen gleicherweise auftreten.According to a further embodiment, before the De suitable optical filter attached or it will a combination of the signals from two detectors with un different spectral sensitivity determined. This is two-color pyrometry. The Quotient of the radiation power in at least two ver different spectral channels is then directly proportional onal to the heater temperature. One receives though lower radiation intensities, the information received tion is, however, independent of the Emmi within certain limits ability of the object to be measured and of Radiation losses due to absorption and reflection in the Atmosphere and on the pipes as long as these losses in occur equally in the two spectral ranges.
Die Auswertbarkeit der gemessenen Strahlungsleistung wird noch erhöht, wenn vor dem Detektor ein Strahlungsunter brecher angeordnet wird. Dann kann das Detektorsignal mittels eines Wechselspannungs-Voltmeters oder Lock-in- Verstärkers, das auf der Unterbrecherfrequenz einge stellt ist, empfangen werden. Bei genügend hohen Strah lungsintensitäten kann auch auf den Unterbrecher ver zichtet und direkt das Detektorsignal gemessen werden.The evaluability of the measured radiation power is still increased if there was a radiation sub in front of the detector arranged crusher. Then the detector signal using an AC voltmeter or lock-in Amplifier that turned on the breaker frequency is to be received. With a sufficiently high beam intensities can also affect the breaker canceled and the detector signal can be measured directly.
Bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Verfah rens sind beispielsweise Heizungsanlagen oder die Durch führung von Spektralanalysen an Gasen, Untersuchungen von Verbrennungs- oder Wärmebehandlungsvorgängen.Preferred areas of application of the method according to the invention Rens are, for example, heating systems or the through management of spectral analyzes on gases, investigations of Combustion or heat treatment processes.
Die Erfindung wird anhand der Zeichung näher beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslo sen Messung der Temperatur einer Festkörperober fläche und Fig. 1 shows an arrangement according to the invention for contactless measurement of the temperature of a solid surface and
Fig. 2 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung einer Strahlungsumlenkung mit Spiegel. Fig. 2 shows an embodiment according to the invention of a radiation deflection with a mirror.
In Fig. 1 ist ein zu messendes Objekt (1) dargestellt, dessen Oberfläche (2) beispielsweise Wärmestrahlung, d.h. Infrarotstrahlung, oder Lichtstrahlen in Richtung der Pfeile (3) emittiert. Von der Oberfläche (2) ist in Abstand ein Rohr (4) angeordnet, das die Strahlung aufnimmt und di rekt (5) sowie durch Reflexion (6) an der Innenwand (7) zum Detektor (8) transportiert.In Fig. 1 there is shown a object to be measured (1) whose surface (2) emits, for example, heat radiation, that infrared radiation or light beam in the direction of the arrows (3). A tube ( 4 ) is arranged at a distance from the surface ( 2 ), which absorbs the radiation and transmits it directly ( 5 ) and by reflection ( 6 ) on the inner wall ( 7 ) to the detector ( 8 ).
Das Rohr (4) weist im Bereich des Detektors (8) weiterhin einen Unterbrecher (9) auf, wodurch die Strahlung, insbe sondere sichtbares und infrarotes Licht, moduliert werden kann. Das Detektorsignal kann dann unmittelbar durch ein auf die Unterbrecherfrequenz eingestelltes Wechsel spannungsvoltmeter (10) empfangen werden. Dazu ist auch ein üblicher Lock-in-Verstärker geeignet.The tube ( 4 ) in the region of the detector ( 8 ) also has an interrupter ( 9 ), whereby the radiation, in particular special visible and infrared light, can be modulated. The detector signal can then be received directly by an alternating voltage voltmeter ( 10 ) set to the breaker frequency. A conventional lock-in amplifier is also suitable for this.
Der Abstand zwischen emittierender Oberfläche (2) und dem gegenüberliegenden offenen Ende des Rohres (4) sollte zwischen 0,1 mm und maximal 100 cm liegen, weil hierbei die beste Strahlungsaufnahme je nach Strahlungsart und zu messender Temperatur gewährleistet ist.The distance between the emitting surface ( 2 ) and the opposite open end of the tube ( 4 ) should be between 0.1 mm and a maximum of 100 cm, because this ensures the best radiation absorption depending on the type of radiation and the temperature to be measured.
Auch der Innendurchmesser des Rohres hat Einfluß auf den Strahlungstransport. Je größer der Rohrinnendurchmesser ausgelegt ist, desto größer ist auch die vom Rohr zum De tektor transportierte Strahlung. Eine gut zu messende Strahlungsleistung ist mit Rohrinnendurchmessern im Be reich von 0,1 mm bis 50 mm gegeben.The inside diameter of the pipe also influences the Radiation transport. The larger the pipe inside diameter is designed, the larger is that from the pipe to the de tector transported radiation. A good one to measure Radiation power is in the tube with inner tube diameters range from 0.1 mm to 50 mm.
Weist das die Strahlung transportierende Rohr (4) starke Biegungen oder Umlenkungen auf, dann kann auf dem Trans port Strahlungsleistung verlorengehen. Dies wird erfin dungsgemäß dadurch vermieden, daß das Rohr (4) im ge wünschten Winkel aneinander gefügt und die Ecke abge schnitten wird. An dieser Stelle wird dann ein die Strah lung reflektierender Spiegel (11) angebracht, wie es als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel bei einer 90 Grad Um lenkung in Fig. 2 dargestellt ist.If the tube ( 4 ) transporting the radiation has strong bends or deflections, then radiation power can be lost on the transport. This is inventively avoided according to the fact that the tube ( 4 ) joined together at the desired angle and the corner is cut abge. At this point, a radiation reflecting mirror ( 11 ) is then attached, as shown as an advantageous embodiment at a 90 degree order in Fig. 2.
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