DE3634800A1 - Mehrkanalmesskopf fuer ein strahlungspyrometer - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer, mit welchem die von einem Meßobjekt ausgesandte Strahlung in mindestens zwei Spektralbereiche aufgespalten und auf Strahlungsempfänger geleitet wird, wobei der sichtbare Spektralbereich der Meßobjektstrahlung zur Anvisierung des Meßobjektes dient. Die Erfindung ist insbesondere für Mehrkanalstrahlungspyrometer geeignet, die eine hohe Temperaturauflösung besitzen und damit eine hohe Meßgenauigkeit ohne Kenntnis des Emissionsgrades der Meßobjektoberfläche erreichen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Strahlungspyrometer zur berührungsfreien Temperaturmessung in mehreren Spektralbereichen haben zum Ziel, weigehend unabhängig vom Emissionsgrad die wahre Objekttemperatur zu ermitteln. In der DD-PS 2 19 571 wird vorgeschlagen, die verschiedenen Spektralbereiche durch Filtersegmente, die auf einer von einem Motor angetriebenen Scheibe angeordnet sind, zu erzeugen. Dabei müssen die vollständigen Filter mit einer relativ großen Masse bewegt werden. Da alle Filter sich auf der Scheibe befinden müssen, muß die Scheibe auch entsprechend große Abmaße besitzen. Eine Visierung ist nach der DD-PS 2 19 571 nicht vorgesehen, wäre jedoch möglich, wenn die zwischen den Filtersegmenten vorhandenen Segmente verspiegelt sind und die gesamte Anordnung schräg steht, so daß über entsprechend angeordnete Linsenoptiken das Meßobjekt sichtbar wird.

In der DE-OS 20 61 463 wird die Aufteilung in mehrere Spektralbereiche ebenfalls durch eine Unterbrecherscheibe mit Modulatorabschnitten mit dispersionsbehafteten Strahlungsdurchlässigkeiten realisiert. Hierbei wird jedoch das Filter in zwei Abschnitte der Modulatorscheibe unterteilt, die nacheinander an einem Strahlungsempfänger vorbeigeführt werden. Die spektralen Durchlässigkeiten ergeben in der Summe den gewünschten Transmissionsverlauf. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß keine vollständigen Filteranordnungen herkömmlicher Art erforderlich sind, da als ein Segment der Unterbrecherscheibe Polymerfolie eingesetzt ist, deren Absorptionsbande als Filter dient. Die Unterdrückung der Nebenbanden der Polymerfolie erfolgt durch einen üblichen Kurzpaß, der als zweites Segment eingesetzt ist. Beide Segmente bewegen sich nacheinander am Strahlungsempfänger vorbei. Ausgewertet wird das Differenzsignal zwischen dem Strahlungsfluß durch den Kurzpaß und den verringerten Strahlungsfluß durch das Absorptionsband der Polymerfolie. Nachteilig ist, daß Polymerfolien nur sehr schmale Absorptionsbanden besitzen, so daß breite Spektralbereiche von z. B. 8 . . . 14 µm, wie sie für viele Einsatzfälle wesentlich sind, nicht realisiert werden können.

Die DD-PS 2 19 571 und die DE-OS 20 61 463 haben den gemeinsamen Nachteil, daß die Filteranordnungen an einem Strahlungsempfänger vorbeigeführt werden, so daß das zeitliche Nacheinander der Abtastungen durch den Strahlungsempfänger die Meßgeschwindigkeit begrenzt. Erhöht man die Drehzahl der Filterscheibe, so verringert sich die Signalstärke und die Meßgenauigkeit nimmt ab. Weiterhin sind diese Anordnungen hinsichtlich Herstellungsaufwand und Materialeinsatz sehr kostenintensiv.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur spektralen Aufteilung des auszuwertenden Spektrums der Meßobjektstrahlung in Strahlungspyrometern zu schaffen, die die genannten Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet. Dabei soll mit geringerem Aufwand an Filtern eine Meßfrequenz erreicht werden, die eine maximale Temperaturauflösung ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer in mindestens zwei Spektralbereichen der aufgenommenen Meßobjektstrahlung zu schaffen, wobei unabhängig vom Emissionsgrad die wahre Objekttemperatur mit hoher Genauigkeit ermittelbar ist und zur Anvisierung des Meßobjektes mindestens der sichtbare Bereich des Spektrums der Meßobjektstrahlung verwendet wird. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine maxiamale Temperaturauflösung im auszuwertenden Spektrum der Meßobjektstrahlung zu erreichen, ohne daß sich die Meßzeitkonstante gegenüber Einkanalpyrometern vergrößert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Aufspaltung der Meßobjektstrahlung in mehrere Spektralbereiche ausschließlich Kurzpässe oder ausschließlich Langpässe im Mehrkanalmeßkopf angeordnet sind, wobei sich diese so gegenüberstehen, daß der jeweils reflektierte Anteil der Meßobjektstrahlung auf den nächsten Kurz- bzw. Langpaß fällt. Hinter jedem Kurz- bzw. Langpaß, außer dem ersten im Strahlengang angeordneten Kurz- bzw. Langpaß, befindet sich ein Strahlungsempfänger, der den jeweils empfangenen Spektralbereich auswertet, wobei soviel Strahlungsempfänger im Mehrkanalmeßkopf vorhanden sind, wie Spektralbereiche ausgewertet werden sollen. Dabei sind die Lang- bzw. Kurzpässe derart nacheinander im Reflektionsweg der Meßobjektstrahlung angeordnet, daß die Kantenwellenlängen der Langpässe in der Reihenfolge von der längsten zur kürzesten Wellenlänge bzw. die Kantenwellenlängen der Kurzpässe in der Reihenfolge von der kürzesten zur längsten Wellenlänge gestaffelt sind.

Durch die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung entsteht für jeden Strahlungsempfänger ein Filter mit Bandcharakteristik, ohne daß vollständige Filter verwendet werden. Weiterhin erfolgt die Auswertung der verschiedenen Spektralbereiche praktisch zeitlich parallel, so daß die Meßzeitkonstante der von Einkanalpyrometern entspricht und somit eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Zur Visierung wird in bekannter Weise bei Strahlungspyrometern nach dem Wechsellichtprinzip ein Motor- oder Schwingchopper verwendet und das Meßobjekt mittels Linsen abgebildet, wenn sich die Chopperfahne nicht im Strahlengang befindet. Bei Strahlungspyrometern nach dem Gleichlichtprinzip wird anstelle des Choppers ein Kurzpaß im Strahlengang angeordnet, so daß der sichtbare Bereich des Spektrums der Meßobjektstrahlung vom Kurzpaß durchgelassen und in bekannter Weise zur Visierung benutzt wird und der auszuwertende Anteil der Meßobjektstrahlung auf den ersten Kurz- bzw. Langpaß reflektiert wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung unter Verwendung von Kurzpässen

Fig. 2 das Bandpaßverhalten der Anordnung mit Langpässen

Fig. 3 das Bandpaßverhalten der Anordnung mit Kurzpässen

Fig. 4 das Bandpaßverhalten der Anordnung mit Langpässen für ein Gleichlichtpyrometer

Nach Fig. 1 besteht der erfindungsgemäße Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer nach dem Wechsellichtprinzip aus einer Objektivlinse 1, durch die die vom Meßobjekt ausgehende Meßobjektstrahlung auf einen Chopper 2 fällt, aus den Strahlungsempfängern 10, 11 und 12 und aus Kurzpässen 3, 5, 7, 9. Die Kurzpässe stehen sich so gegenüber, daß der jeweils reflektierte Anteil der Meßobjektstrahlung auf den nächsten Kurzpaß fällt. Hinter jedem Kurzpaß, außer dem ersten im Strahlengang angeordneten Kurzpaß 3, befindet sich einer der Strahlungsempfänger 10, 11 oder 12. Die Kurzpässe 3, 5, 7 und 9 sind so gestaffelt, daß für jeden Strahlungsempfänger 10, 11 und 12 jeweils ein Filter mit Bandcharakteristik entsteht.

Für die Kurzpässe 3, 5, 7, 9 können auch in der gleichen Reihenfolge Langpässe 13, 14, 15, 16 eingesetzt werden. D. h. Langpaß 13 ist der erste im Strahlengang angeordnete Langpaß anstelle des Kurzpasses 3.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1, 2 und 3 die Aufteilung in drei Spektralbereiche mit den Wellenlängen 8 . . . 10 µm, 10 . . . 12 µm und 12 . . . 14 µm unter Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.

Vom Chopper 2 wird die gesamte Meßobjektstrahlung auf den ersten Kurzpaß 3 bzw. Langpaß 13 reflektiert. Bei Verwendung von Langpässen besitzt der Langpaß 13, z. B. bei 14 µm Wellenlänge keine Transmission mehr und der Spektralbereich unter 14 µm Wellenlänge wird vollständig reflektiert. In Fig. 2 ist das entsprechend dargestellt, wobei λ die Wellenlänge und τ die Transmission ist. Bei Verwendung von Kurzpässen besitzt der Kurzpaß 3, z. B. bei 8 µm keine Transmission mehr und der Spektralbereich über 8 µm Wellenlänge wird vollständig reflektiert. In Fig. 3 ist das entsprechend dargestellt.

Der vom Kurzpaß 3 bzw. Langpaß 13 reflektierte Anteil der Meßobjektstrahlung gelangt über eine Feldlinse 4 auf einen weiteren Kurzpaß 5 bzw. Langpaß 14. Der Langpaß 14 besitzt eine Kantenwellenlänge von 12 µm, d. h. der gesamte Spektralbereich unter 12 µm Wellenlänge wird über eine Linse 6 auf den nächsten Langpaß 15 reflektiert. Bei Verwendung von Kurzpässen besitzt der Kurzpaß 5 eine Kantenwellenlänge von 10 µm, d. h. der gesamte Spektralbereich über 10 µm Wellenlänge wird über die Linse 6 auf den nächsten Kurzpaß 7 reflektiert.

Bei Verwendung von Langpässen besitzt der Langpaß 15 eine Kantenwellenlänge von 10 µm, so daß der gesamte Spektralbereich unter 10 µm Wellenlänge über die Linse 8 auf einen Langpaß 16 reflektiert wird. Bei Verwendung von Kurzpässen besitzt der Kurzpaß 7 eine Kantenwellenlänge von 12 µm, d. h. der gesamte Spektralbereich über 12 µm Wellenlänge wird über die Linse 8 auf einen Kurzpaß 9 reflektiert.

Der Langpaß 16 besitzt eine Kantenwellenlänge von 8 µm und läßt somit nur den Spektralbereich über 8 µm Wellenlänge auf den nachgeordneten Strahlungsempfänger 12 durch. Der Kurzpaß 9 besitzt dagegen eine Kantenwellenlänge von 14 µm und läßt somit nur den Spektralbereich unter 14 µm Wellenlänge auf den nachgeordneten Strahlungsempfänger 12 durch.

In Fig. 1 ist der Strahlungsempfänger 10 dem Kurzpaß 5 und der Strahlungsempfänger 11 dem Kurzpaß 7 nachgeordnet.

Aus der beschriebenen Staffelung der Kurz- bzw. Langpässe ergibt sich die gewünschte Aufteilung des auszuwertenden Spektrums der Meßobjektstrahlung in die drei Spektralbereiche S 1 von 12 µm . . . 14 µm, S 2 von 10 µm . . . 12 µm und S 3 von 8 µm . . . 10 µm.

Bei einem erfindungemäßen Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer nach dem Gleichlichtprinzip wird anstelle des Choppers 2 ein Kurzpaß mit einer Kantenwellenlänge von z. B. 1 µm eingesetzt, so daß der gesamte Spektralbereich über 1 µm Wellenlänge auf den Kurzpaß 3 bzw. Langpaß 13 reflektiert wird. Die Bildung der verschiedenen Spektralbereiche erfolgt wie bereits beschrieben. In Abb. 4 ist das Bandpaßverhalten für die gesamte Anordnung nach dem Gleichlichtprinzip und bei Verwendung von Langpässen dargestellt, wobei das erste Diagramm die Transmissionskurve für den anstelle des Choppers 2 eingesetzten Kurzpaß zeigt.

Die Anvisierung des Meßobjektes erfolgt bei einer erfindungsgemäßen Anordnung nach dem Wechsellichtprinzip durch die Bewegung der Chopperfahne aus dem Strahlengang auf bekannte Art und Weise.

Bei einer Anordnung nach dem Gleichlichtprinzip erfolgt die Visierung mittels des vom anstelle des Choppers 2 eingesetzten Kurzpasses durchgelassenen sichtbaren Spektrums der Meßobjektstrahlung über ein nachgeordnetes Objektiv.

• Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen  1Objektivlinse  2Chopper  3Kurzpaß  4Linse  5Kurzpaß  6Linse  7Kurzpaß  8Linse  9Kurzpaß 10Strahlungsempfänger 11Strahlungsempfänger 12Strahlungsempfänger 13Langpaß 14Langpaß 15Langpaß 16Langpaß S 1Spektralbereich S 2Spektralbereich S 3Spektralbereich τTransmission λWellenlänge

Claims (2)

1. Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer zur berührungsfreien Temperaturmessung in mindestens zwei Spektralbereichen der aufgenommenen Meßobjektstrahlung, wobei unabhängig vom Emissionsgrad die wahre Objekttemperatur mit hoher Genauigkeit ermittelbar ist und zur Anvisierung des Meßobjektes mindestens der sichtbare Bereich des Spektrums der Meßobjektstrahlung verwendet wird und für jeden auszuwertenden Spektralbereich der Meßobjektstrahlung ein Strahlungsempfänger im Mehrkanalmeßkopf angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch,
daß zur Aufspaltung der Meßobjektstrahlung in mehrere Spektralbereiche ausschließlich Kurzpässe oder ausschließlich Langpässe im Mehrkanalmeßkopf angeordnet sind,
daß sich vor jedem Strahlungsempfänger ein Kurzpaß bzw. Langpaß befindet, wobei sich diese so gegenüberstehen, daß der jeweils reflektierte Anteil der Meßobjektstrahlung auf den nächsten Kurz- bzw. Langpaß fällt,
daß dem ersten im Strahlengang befindlichen Kurz- bzw. Langpaß kein Strahlungsempfänger nachgeordnet ist
und daß die Kantenwellenlängen der Langpässe in der Reihenfolge von der längsten Wellenlänge zur kürzesten Wellenlänge bzw. die Kantenwellenlängen der Kurzpässe in der Reihenfolge von der kürzesten Wellenlänge zur längsten Wellenlänge gestaffelt sind sowie in dieser Reifenfolge der Reflektionsweg der Meßobjektstrahlung erfolgt.

2. Mehrkanalmeßkopf für ein Strahlungspyrometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Visierung ein Kurzpaß, der vor dem ersten Kurz- bzw. Langpaß im Strahlengang der Meßobjektstrahlung angeordnet ist und für den wesentlichen Teil der sichtbaren Meßobjektstrahlung eine Transmission nahe Eins besitzt, verwendet wird.