DE3616505A1

DE3616505A1 - Pyrometer zur temperaturmessung

Info

Publication number: DE3616505A1
Application number: DE19863616505
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Dr Mohs; Burkhard Dipl Ing Dohmeyer
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Priority date: 1985-07-08
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1987-01-15
Also published as: DD239267A1

Description

Titel der Erfindung

Pyrometer zur Temperaturmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer zur Temperaturmessung auf der Basis der Mehrkanalpyrometrie zur Anwendung in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik, insbesondere zur Temperaturmessung in der Metallurgie, der Glas- und Zementindustrie und der werkzeugherstellenden Industrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Temperaturmessungen auf der Basis der Strahlungsenergiemessung werden in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik seit längerer Zeit angewendet. Ihnen haftet der Mangel an, daß der Emissionsgrad e des Meßgutes bekannt sein muß. Der Emissionsgrad ε eines nichtschwarz strahlenden Meßgutes ist abhängig von der spektralen Empfindlichkeit des Meßgerätes (Pyrometers) und von der Temperatur des Meßgutes selbst. Daher muß das Pyrometer Vorrichtungen zum Korrigieren des Emissionsgrades ε (Einsteller, Rechner o.ä.) aufweisen.

Pyrometer, die in mehreren Spektralbereichen messen, unterdrücken in der Regel den Einfluß des Emissionsgrades ε auf ein bestimmtes Maß. Dabei wird entweder vorausgesetzt, daß das Meßgut "grau" strahlt, was für bestimmte Meßgüter, speziell bei höheren Temperaturen, in guter Näherung gilt, oder die spektrale Abhängigkeit von der Temperatur ist bekannt und wird dem Pyrometer als Datensatz (Information) mitgegeben. Hierzu zählen die bekannten Verhältnispyrometer und in neuerer Zeit auch die Mehrkanalpyrometer.

Jedes Meßgut mit einem Emissionsgrad ε ≦ωτ 1 reflektiert einen Anteil der Strahlung der Umgebung proportional zu seinem Reflexionsgrad ρ, so daß besonders bei Messung im mittleren Temperaturbereich dieser Anteil eine wesentliche Rolle spielt. Durch Messung der Umgebungstemperatur und Einrechnung in das Meßergebnis kann der Einfluß zwar vermindert werden, die Meßwerte sind jedoch, da die Umgebungstemperaturstrahlung im allgemeinen zeitlich und räumlich nicht stationär auftritt, mit nichtdeterminierten Fehlern behaftet.

Pyrometer, die in mehreren Spektralbereichen messen, lassen unter der Annahme, daß das Meßgut sich als "grauer Strahler" erweist, die Bestimmungen des Emissionsgrades und des Reflexionsgrades ρ = 1 - ε zu, wenn der Transmissionsgrad τ vernachlässigbar ist, was bei nichttransparentem Meßgut von vornherein gegeben ist. Ein derartig messendes Pyrometer ist in der Patentschrift DD 2 19 571 beschrieben. Die wahre Temperatur wird dort durch einen internen Rechner ermittelt, der aus den gemessenen Intensitäten der spektralen Meßbereiche eine Strahldichtekurve durch Iteration nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz ermittelt. Das Meßergebnis wird nach einigen Sekunden angezeigt. Gleichzeitig kann der Emissionsgrad ε und die Umgebungstemperatur ausgegeben werden, wobei der Emissionsgrad e dann nicht in Beziehung zu einem Spektralbereich steht, gleichzeitig ist die Umgebungstemperatur eine "gemittelte" Größe in Abhängigkeit von den spektralen Meßbereichen.

Ein weiteres Verfahren, das in der Patentschrift US 39 22 550 beschrieben wird, setzt ebenfalls den Emissionsgrad nicht als Funktion von der Wellenlänge der Strahlung (Spektralbereich) an und setzt weiterhin graue Strahlung voraus. Es werden zwei spektrale Meßbereiche verwendet. Auf zwei Strahlungsempfänger wird die Strahlung geleitet, das Ausgangssignal wird logarithmiert und einem Summationsnetzwerk zugeleitet. Hier kann der Emissionsgrad ε eliminiert und die Temperatur angezeigt werden, auch der Emissionsgrad ε ist darstellbar.

Beiden Verfahren - gemäß DD 2 19 571 und US 39 22 550 - haftet der entscheidende Mangel an, daß der Emissionsgrad ε als konstant vorausgesetzt und nicht in Bezug zum Spektralbereich gebracht wird. Gleichermaßen wird eine relativ lange Einstellzeit angesetzt.

Gemäß Patentvorschrift DE 16 48 233 wird ein Emissionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge angesetzt, wobei die Wellenlängen in ganz bestimmtem Verhältnis zueinander stehen müssen. Dann gelingt es, nach einer Logarithmierschaltung und einem Summationsnetzwerk ein dem Emissionsgrad ε, der einem realen Mittelwert der gewählten Spektralbereiche entspricht, proportionales Signal zu gewinnen, das von der Meßtemperatur unabhängig ist. Damit ist es dann möglich, die Temperatur des strahlenden Meßgutes zu bestimmen.

Allen beschriebenen Ausführungen haftet der Mangel an, daß mit hohem Aufwand eine relativ komplizierte Meßeinrichtung geschaffen wurde, die es bei Berücksichtigung von mehr oder weniger bedeutsamen Voraussetzungen gestattet, die wahre Temperatur des Meßgutes zu ermitteln.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das die angeführten Nachteile der bekannten technischen Lösungen vermeidet und dabei die Herstellungskosten wesentlich senkt, ohne die Einsatzmöglichkeiten zu beschränken.

Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei unkomplizierter, robuster Ausführung der Einsatz auch in explosionsgefährdeten Räumen infolge der potentialfreien Messung erfolgen kann. Weiterhin werden keine Anforderungen an den Emissionsgrad ε des Meßgutes gestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird gegenüber bekannten Lösungen die Anzahl der Bauelemente wesentlich verringert und das Bauvolumen minimiert. Der Einsatz dieses Pyrometers schafft die vorteilhafte Tatsache, daß keine äußere Einstellvorrichtung für den Emissionsgrad ε vorhandensein muß, was sich positiv auf die Betriebszuverlässigkeit und die Lebensdauer auswirkt.

Nicht unerwähnt bleiben soll der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung, der in der nahezu freizügigen Auswahlmöglichkeit der verwendeten Spektralbereiche besteht, die nur in einer bestimmten Reihenfolge ausgewertet werden. Damit gestattet die erfindungsgemäße Ausführung eine universelle Messung, ohne Rücksicht auf vorgeschriebene Verknüpfungen der Wellenlängen der Strahlung nehmen zu müssen.

Schließlich sei noch der Vorteil der kurzen Einstellzeit des erfindungsgemäßen Pyrometers in Verbindung mit der Minimierung der Bedienungsfunktionen zu erwähnen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zur Temperaturmessung zu schaffen, das bei kurzer Einstellzeit die Temperaturmessung eines Meßgutes mit unbekanntem Emissionsgrad ε und realer Abhängigkeit des Emissionsgrades ε von der Wellenlänge der Strahlung und der Meßguttemperatur gestattet und ferner bei robustem und unkompliziertem Aufbau unter Beibehaltung der notwendigen Meßgenauigkeit die Einsatzbreite erweitert sowie unabhängig von der Einbaulage arbeitet, die erforderlichen Bedienfunktionen minimiert und neben einer Temperaturanzeige ein in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik sowie Automatisierungstechnik übliches elektrisches Ausgangssignal liefert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Pyrometer zur Temperaturmessung bei vermindertem Emissionsgradeinfluß die vom Meßgut ausgehende Temperaturstrahlung, die durch eine Optik fokussiert wird, durch geeignete Mittel, beispielsweise Infrarotfilter, in drei spektrale Bereiche aufteilt und auf drei Detektoren leitet, denen elektronische Logarithmiernetzwerke nachgeschaltet sind, die wiederum in Verbindung mit einem Spannungsteiler stehen, dem ein Summationsnetzwerk vorgeschaltet ist, wobei der Ausgang des Spannungsteilers mit einem Delogarithmiernetzwerk verbunden ist, an dessen Ausgangsleitung sowohl ein Wandler zur Darstellung eines der Temperatur des Meßgutes proportionalen elektrischen Signales als auch eine Temperaturanzeige angeschlossen sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild des Pyrometers zur Temperaturmessung. Die Temperaturstrahlung 15, die der Temperatur des Meßgutes 1 proportional ist, wird durch eine an sich bekannte Optik 2 auf eine Vorrichtung 3 zur spektralen Aufteilung der Temperaturstrahlung 15 fokussiert. Die spektral geteilte Temperaturstrahlung wird auf Detektoren 4, 5, 6 geleitet, deren Ausgang mit je einem Logarithmiernetzwerk 7, 8, 9 in Verbindung steht. Die Ausgänge der Logarithmiernetzwerke 7, 8, 9 werden in einem Summationsnetzwerk 10 zusammengeführt und einem Spannungsteiler 11 zugeführt, der seinerseits auf den Eingang eines Delogarithmiernetzwerkes 12 geschaltet ist, an dessen Ausgang wiederum eine Temperaturanzeige 13 angeschaltet sein kann. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Delogarithmiernetzwerkes 12 auf einen Wandler zur Darstellung eines elektrischen Ausgangssignals 14 geführt, der ein in der Prozeß- und Betriebsmeßtechnik sowie Automatisierungstechnik gebräuchliches elektrisches Signal bereitstellt.

Das zu messende Meßgut 1 sendet seine Temperaturstrahlung 15 aus, die nach Zerlegung in drei spektrale Anteile auf drei Detektoren 4, 5, 6 geleitet und deren Ausgangssignal in einer komplexen Elektronik verarbeitet wird und zu einem der Temperatur des Meßgutes 1 proportionalen elektrischen Ausgangssignal führt bzw. zur Anzeige gebracht wird. Die Messung erfolgt hierbei weitgehend unabhängig vom Emissionsgrad ε und mit einer kurzen Einstellzeit.

Die Temperaturstrahlung 15, die der Temperatur des Meßgutes 1 proportional ist, wird in drei spektrale Anteile Φ (λ ₁), Φ (λ ₃) zerlegt, wobei als einzige Bedingung für die dreiWellenlängenbereiche λ ₁, λ ₂ und λ ₃ gelten muß: λ ₁ ≦ωτ λ ₂ ≦ωτg ₃, was in der Regel immer gegeben ist. Für die Kennlinie der drei Detektoren 4, 5, 6 gilt

wobei K _n eine Konstante, ε _n der spektrale Emissionsgrad, T die Temperatur des Meßgutes und α _n der von λ _n abhängige Exponent ist mit α ₁ ≦λτα ₂ ≦λτα ₃. Bei geeigneter Festlegung der spektralen Bereiche läßt sich für die überwiegende Anzahl der Meßgüter ε ₂ als geometrisches Mittel zwischen e ₁ und ε ₃ annähern.

Die Detektorströme IΦ_n werden in den drei Logarithmiernetzwerken 7, 8, 9 in Spannungen

umgewandelt. Am Ausgang des Summationsnetzwerkes 10 steht eine Spannung U ₄ zur Verfügung von der Größe

Diese Funktion wird durch das Summationsnetzwerk 10 realisiert. Mit. Gl. 2 und Gl. 3 ergibt sich

Der Spannungsteiler 11 wandet U ₄ um in

die Spannung U ₅ wird auf den Eingang des Delogarithmiernetzwerkes 12 geschaltet, wodurch sich an dessen Ausgang die temperaturproportionale Spannung U ₆ einstellt.

Bei der Herleitung der Gl. 1 bis 7 wurden dimensionslose, also auf die jeweilige Grundeinheit bezogene, Größen angesetzt. Die Spannung U ₆ ist der Temperatur des Meßgutes 1 proportional und kann zur Temperaturanzeige 13 gebracht und/oder als elektrisches Ausgangssignal durch den Wandler 14 bereitgestellt werden.

Aufstellung der zu verwendenden Bezugszeichen zur Erfindungsbeschreibung "Pyrometer zur Temperaturmessung"

1 Meßgut
2 Optik
3 Vorrichtung zur spektralen Aufteilung der Temperaturstrahlung
4 Detektor
5 Detektor
6 Detektor
7 Logarithmiernetzwerk
8 Logarithmiernetzwerk
9 Logarithmiernetzwerk
10 Summationsnetzwerk
11 Spannungsteiler
12 Delogarithmiernetzwerk
13 Temperaturanzeige
14 Wandler zur Darstellung eines elektrischen Ausgangssignals
15 vom Meßgut ausgehende Temperaturstrahlung

Claims

Pyrometer zur Temperaturmessung auf der Basis der Mehrkanalpyrometrie, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer aus einer an sich bekannten, die vom Meßgut (1) ausgehende Temperaturstrahlung (15) auf eine Vorrichtung (3) fokussierenden Optik (2) besteht, wobei die Vorrichtung (3) in bekannter Weise zur spektralen Aufteilung der Temperaturstrahlung (15) in drei spektrale Strahlungen und zur Weiterleitung der spektralen Strahlungen auf drei Detektoren (4, 5, 6) eingeschaltet ist, und daß den Detektoren (4, 5, 6) jeweils Logarithmiernetzwerke (7, 8, 9) nachgeschaltet sind, daß die Ausgänge der Logarithmiernetzwerke (7, 8, 9) über ein Summationsnetzwerk (10) zusammengeführt sind, das wiederum mit einem Spannungsteiler (11), dem ein Delogarithmiernetzwerk (12) nachgeschaltet ist, in Verbindung steht, und daß am Ausgang des Delogarithmiernetzwerkes (12) ein Wandler (14) angeschaltet ist und eine Temperaturanzeige (13) vorhanden sein kann.