DE3611634A1

DE3611634A1 - Pyrometrisches messverfahren und mehrkanalpyrometer

Info

Publication number: DE3611634A1
Application number: DE19863611634
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Kienitz
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: MESSGERAETE GMBH MAGDEBURG, O-3011 MAGDEBURG, DE
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1987-02-05
Also published as: GB2179445B; DD254114A3; US4880314A; GB2179445A; JPS6285829A; GB8617606D0; DE3611634C2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein pyrometrisches Meßverfahren und ein Mehrkanalpyrometer zu Bestimmung der Temperatur T _o von Oberflächen mit unterschiedlichen Emissionsgraden durch Messung der spektralen Signalspannungen U _j bei j = 1-n effektiven Wellenlängen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Gesamtstrahlungspyrometrie ist es üblich, den Emissionsgrad eines Meßobjektes zu schützen oder durch seine künstliche Erhöhung den Einfluß auf die Verfälschung des Meßergebnisses einer berührungslosen Temperaturmessung zu vermindern. Die Verfahren lassen jedoch nur eine näherungsweise Bestimmung der Objekttemperatur zu und/oder erfordern eine Veränderung der Meßobejektoberfläche bzw. -umgebung.

Es wurden deshalb verschiedene Verfahren entwickelt, mit Hilfe von Spektral- bzw. Bandstrahlungspyrometern durch eine Messung der infraroten Strahlung bei mehreren effektiven Wellenlängen eine emissionsgradunabhänige Temperaturmessung zu erreichen.

Eine erste Gruppe von Verfahren setzt einen linearen Verlauf des Emissionsgrades voraus. Die damit aufgebauten einfachen und erweiterten Quotientenpyrometer verringern den Meßfehler nur dann, wenn diese Voraussetzung tatsächlich erfüllt ist. Bei realen Meßobjektiven führt jedoch schon eine geringe Abweichung von der vorausgesetzten Emissionsgradverteilung durch die Quotientenbildung der Pyrometersignale zu einem größeren Meßfehler als die Schätzung des Emissionsgrades und anschließende Messung mit einem Bandstrahlungspyrometer.

In DE-OS 16 48 233 wird ein Meßverfahren vorgeschlagen, welches im Hochtemperaturbereich und nach einer Kalibrierung des betreffenden Meßobjektes veränderliche Emissionsgrade durch Bildung eines temperaturinvarianten Bandstrahlungsverhältnissignals berücksichtigt. Nachteilig dabei ist die aufwendige Kalibrierung aller möglichen Emissionsgradverhältnisse, da das Meßverfahren sonst zur Berechnung einer falschen Objekttemperatur führt.

Zur Messung der Infrarotstrahlung in mehreren effektiven Wellenlängen werden Mehrkanalpyrometer mit zwei oder drei Kanälen eingesetzt. Die Infrarotstrahlung des Meßobjekts gelangt durch eine Optik auf die Eingänge der Kanäle. Es werden die Signalspannungen U _j der j = 1 bis n kanalspezifischen Wellenlängen gemessen. An die Kanäle ist zur Auswertung ein Steuerrechner und an den Steuerrechner eine Dialogeinheit angeschlossen. Im Steuerrechner ist die am Schwazen Strahler kalibrierte Abhängigkeit der spektralen Signalspannungen U _oj und U _uj von der Oberflächentemperatur T _o bzw. der Umgebungstemperatur T _u gespeichert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, sowohl im Hoch- als auch im Niedertemperaturbereich die Meßsicherheit zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Infrarotstrahlungsmessung bei wenigstens zwei effektiven Wellenlängen die Information über die Objektemperatur und die aktuell vorliegenden Emissionsgradverhältnisse bei ausgewählten Oberflächenmaterialien, wie sie für einen Anwender typisch sind, zu gewinnen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die spektralen Signalspannungen U _ÿ in Abhängigkeit von der Differenz U _oj-U _uj für eine diskrete Zahl i = 1 bis n von im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächenmaterialien festgestellt, aus den gemessenen spektralen Signalspannungen U _j unter Verwendung der festgestellten Anhängigkeit für jeden Emissionsgrad e _ÿ die hypothetisch möglichen spektralen Spannungen U _oÿ und hieraus die wahrscheinliche Objekttemperatur T _o und das wahrscheinlich zutreffende Oberflächenmaterial ermittelt werden.

Aus dem bekannten Zusammenhang folgen für eine gemessene spektrale Signalspannung U _j die theoretisch möglichen wobei für ε _ÿ der vorher durch Messung festzustellende Zusammenhang für alle i einzusetzen ist. Beim Einsetzen der zutreffenden Emissionsgradverhältnisse ε _ÿ ist die Streuung der den U _oÿ über eine Kalibrierkennlinie zugeordneten Objekttemperaturen theoretisch Null und praktisch klein. Den Werten mit der kleinsten Streuung kann mit großer Sicherheit die tatsächliche Objekttemperatur zugeordnet werden, insbesondere dann, wenn ihre Streuung unterhalb eines vorher festzulegenden Schwellwertes liegt. Zur Durchführung des Verfahrens kann erfindungsgemäß ein Mehrkanalpyrometer mit Steuerrechner und Dialogeinheit(en) eingesetzt werden, bei dem dem Steuerrechner ein nichtflüchtiger RAM mit den Abhängigkeiten der spektralen Signalspannungen U _ÿ von U _oj-U _uj für eine diskrete Zahl i = 1 bis n von für den Anwender typischen im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen im Speicherinhalt zugeordnet ist.

Mit einer derartigen Konfiguration ist Echtzeitbetrieb möglich, so daß forlaufend neue Strahlungsmeßwerte behandelt werden können. Die Zahl der notwendigen spektralen Meßbereiche wird dabei maßgeblich von der Zahl der zu unterscheidenden Materialien bzw. deren Emissionsgradverlaufen sowie der notwendigen Erkennungssicherheit bestimmt.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Abhängigkeit der Differenz U _oj-U _ÿ von der Temperatur eines Schwarzen Strahlersund

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung.

Die Temperaturstrahlung eines Meßobjektes 1 gelangt durch eine Infrarotoptik 2 auf die n = 3 Kanäle eines Mehrkanalwechsellichtpyrometers 3. Am Ausgang der Kanäle werden die spektralen Signalspannungen U _j gemessen. Nach einer (nicht dargestellten) Analog/Digitalwandlung werden die U _j gemessen. Nach einer (nicht dargestellten) Analog/Digitalwandlung werden die U _j einem Steuerrechner 4 zugeführt. Der Steuerrechner 4 ist mit einem nichtflüchtigen RAM 6 und einer bzw. mehreren üblichen Dialogeneinheiten 5 gekoppelt. Im RAM 6 sind anwenderspezifisch die Abhängigkeiten der Signalspannungen U _ÿ von den Differenzen U _oj-U _uj für i = 10 im Emissionsgrad unterschiedliche Oberflächen gespeichert. Wie üblichen werden die spektralen Signalspannungen U _oj-U _uj bei der Oberflächentemperatur T _o und der Umgebungstemperatur T _u am Schwarzen Strahler und im ROM des Steuerrechners gespeichert. Die Speicherung der Kalibrierwerte für die Schwarzstrahlerkennlinie geschieht werkseitig im ROM. Die Ermittlung der Emissionsgrade und ihre Speicherung im nichtflüchtigen RAM erfolgt beim Anwender entsprechend seinem Meßproblem.

Bei der Temperaturmessung eines Objekts mit unbekannten Emissionsgraden werden zunächst die n = 3 Spannungen U ₁ ... U ₃ gemessen. Gemäß Gleichung 2 werden den für die 10 Materialien gespeicherten 30 Emissionsgraden ε _ÿ 30 hypothetische Spannungen U _oÿ ermittelt. In der Matrix dieser Spannungswerte entsprechen jeder Zeile U _oi1, U _oi3, U _oi2 gemäß den im ROM gespeicherten Kalibrierkennlinien die Temperaturwerte T _oi1, T _oi2, T _oi3.

Bei einer Variante des Ausführungsbeispiels werden alle diese Werte ausgedruckt und Zeile für Zeile miteinander verglichen. Liegen die Werte einer Zeile sehr dicht beieinander, dann kann mit großer Wahrscheinlichkeit angenommen werden, daß damit die wahre Objekttemperatur ermittelt wurde und es sich um das Material, das dieser Zeile entspricht, handelt.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Aussage wird in einer zweiten Variante aus den T_oi jeder Zeile der jeweilige Mittelwert _oi und über die im ROM gespeicherten Kalibrierkennlinien die dem Mittelwert entsprechenden _oÿ bestimmt. Danach wird zeilenweise die Streuung der Spannungen errechnet und im Vergleich aller io Werte der kleinste ermittelt. Die dieser Zeile zugehörige mittlere Temperatur _oi wird als die wahre Temperatur angenommen, wobei die Sicherheit dieser Aussage höher ist, als die bei der ersten Variante.

Da durchaus die Temperatur eines Objektes gemessen werden kann. dessen spektrale Emissionsgrade nicht kalibriert wurden, wird zur weiteren Erhöhung der Sicherheit in einer dritten Variante die nach der zweiten Variante ermittelte kleinste Streuung S _i mit einem Schnellwert verglichen. Liegt die kleinste Streuung über diesem Schwellwert, gilt das Material als nicht kalibriert.

Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen
1 Meßobjekt
2 Infrarotoptik
3 Mehrkanalpyrometer
4 Steuerrechner
5 Dialogeinheit
6 anwenderspezifischer RAM

Claims

1. Pyrometrisches Meßverfahren zur Bestimmung der Temperatur T _o von Oberflächen mit unterschiedlichen Emissionsgraden durch die Messung der spektralen Signalspannungen U _j bei j = 1 bis n effektiven Wellenlängen bei einer bekannten mittleren Umgebungstemperatur T _u und einer durch Kalibrierung festgestellten Abhängigkeit der Differenz U _oj-U _uj von den Temperaturen eines Schwarzen Strahlers, gekennzeichnet dadurch, daß die spektralen Signalspannungen U _ÿ in Abhängigkeit von der Differenz U _oj-U _uj für eine diskrete Zahl i = 1 bis n von im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächenmaterialien festgestellt, aus den gemessenen spektralen Signalspannungen U _j unter Verwendung der festgestellten Abhängigkeit für jeden Emissionsgrad ε _ÿ die hypothetisch möglichen spektralen Spannungen U _oÿ und hieraus die wahrscheinliche Objekttemperatur T _o und das wahrscheinlich zustreffene Oberflächenmaterial ermittelt werden.

2. Pyrometrisches Meßverfahren nach Punkt 1. gekennzeichnet dadurch, daß den hypothetisch möglichen spektralen Spannungen U _oÿ, die gegenüber dem Mittelwert _oj die geringste Streuung haben, die wahrscheinlichste Objekttemperatur T _o zugeordnet wird, sofern die Streuung unterhalb eines Schwellwertes liegt.

3. Mehrkanalpyrometer mit j = 1 bis n Kanälen, einem Steuerrechner (4), in dem die durch Kalibrierung am Schwarzen Strahler kalibrierten Abhängigkeiten der spektralen Signalspannungsdifferenzen U _oj-U _uj von der Oberflächen- und Umgebungstemperatur gespeichert sind, und einer oder mehreren Dialogeneinheiten zur Bestimmung der Temperatur von Oberflächen mit unterschiedlichen Emissionsgraden, gekennzeichnet dadurch, daß dem Steuerrechner (4) ein nichtflüchtiger RAM (6) mit den Abhängigkeiten der spektralen Signalspannungen U _ÿ von U _oj-U _uj für eine diskrete Zahl i = 1 bis n von für den Anwender typischen im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen im Speicherinhalt zugeordnet ist.