DE4028408C2 - Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 2 näher defi­ niert werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung des Verfahrens zur Messung der Betriebstempe­ ratur laufender Turbinenschaufeln.

Verfahren der oben erwähnten Art sind an sich bekannt und werden beispielsweise zur thermographi­ schen Temperaturmessung an elektrischen Baugruppen verwen­ det (vgl. z. B. E. Schneider und P. Valenta "Thermographi­ sche Temperaturmessungen an elektrischen Baugruppen" in: Sensoren II, Sonderheft Nr. 246 der Zeitschrift "Elektro­ nik", München 1987, Seiten 40 bis 44). Bei dem bekannten Meßverfahren wird in der Regel angenommen, daß der Emis­ sionsgrad ε weitgehend temperaturunabhängig ist und im we­ sentlichen lediglich von der Wellenlänge abhängt. Bei der berührungslosen Temperaturbestimmung, beispielsweise von Turbinenschaufeln, die sich im Betrieb befinden, ist eine derartige Annahme hingegen nicht gerechtfertigt, weil die Betriebstemperaturen vergleichsweise hoch (300 bis 1000°) sind und stark variieren können. Sowohl für rein metalli­ sche Oberflächen als auch für solche mit oxydierten Schutz­ schichten, wie sie für die Turbinenschaufeln verwendet wer­ den, erfolgt gleichermaßen eine Variation des Emissions­ grades.

Für eine ausreichend genaue Messung muß diese Größe daher mit ermittelt werden.

Aus der DE 36 11 634 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Bestimmung der Temperatur eines Körpers durch Messung der abgestrahlten infraroten Strahlung erfolgt. Dabei wird die Strahlungsleistung bei mehreren effektiven Wellenlängen gemes­ sen. Um dabei den temperaturabhängigen Emissionsgrad zu be­ rücksichtigen, werden zunächst mittels einer Kalibriermessung die Emissionsgrade für alle anwenderspezifischen Materialien bestimmt und gespeichert. Bei der eigentlichen Temperaturmes­ sung eines Materials mit unbekanntem Emissionsgrad erhält man dann für jede gemessene Strahlungsleistung eine Reihe von Tem­ peraturwerten, die der Anzahl der gespeicherten Emissionsgrade entspricht. Aus der Gesamtheit dieser Temperaturwerte wird dann versucht, die wahrscheinliche Temperatur durch Vergleich der einzelnen Werte zu ermitteln.

Es handelt sich bei diesem bekannten Verfahren um ein außer­ ordentlich zeitaufwendiges und relativ ungenaues Verfahren, welches mit vertretbarem Aufwand nur benutzbar ist, wenn man bereits das Material des Körpers kennt, von dem man die Tem­ peratur bestimmen will. Berücksichtigt man außerdem, daß der Emissionsgrad nicht nur von dem Material, sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit, die durch Oxidbildung stark beein­ flußt werden kann, abhängt, so wird deutlich, daß eine genaue Temperaturmessung mit dem vorstehend erwähnten Verfahren, selbst bei bekannten Materialien, häufig nicht möglich ist.

Ferner sind aus den Zeitschriften Feingerätetechnik, 26. Jahr­ gang, Heft 3/1977, Seiten 125-127 und J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 (1988) S. 425-436 ebenfalls Verfahren zur Temperaturbestim­ mung angegeben, bei denen die Strahlungsleistung in zwei un­ terschiedlichen Wellenlängenbereichen gemessen wird. Dabei wird das Verhältnis der beiden gemessenen Strahlungsleistungen als Maß für die Temperatur des Meßobjektes herangezogen.

Schließlich ist aus der US 4 326 798 ein Pyrometer, insbe­ sondere zur Messung der Temperatur von Turbinenschaufeln, be­ kannt, bei dem wiederum die Strahlungsleistung für zwei unter­ schiedliche Wellenlängen gemessen wird. Aus dem Quotienten der beiden Strahlungsleistungen wird ein Fehlersignal abgeleitet, welches charakteristisch ist für die Strahlung von eventuell vorhandenen Kohlenstoffpartikeln, welche die Temperaturstrah­ lung der erhitzten Turbinenschaufeln verfälschen kann.

Ausgehend von der DE 36 11 634 A1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß auch dann eine berührungslose Temperaturmessung mit ausreichender Genauigkeit erfolgen kann, wenn der Emissionsgrad selbst temperaturabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Betriebstemperatur laufender Turbinenschaufeln offenbart Anspruch 3.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Messung der Temperatur einer Strahlungsquelle;

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Auswertevorrichtung;

Fig. 3 eine Anordnung zur Messung der Temperatur im Fuß­ bereich von Turbinenschaufeln; und

Fig. 4 eine Anordnung zur Messung der Temperatur des oberen Randbereiches von Turbinenschaufeln.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Strahlungsquelle bezeichnet, die sich im Inneren eines Gehäuses mit der Gehäusewand 2 befin­ det. In der Gehäusewand 2 ist ein Lichtleiter 3 angeord­ net, dessen der Strahlungsquelle 1 zugewandten Seite (Ein­ trittsfenster) 4 eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweisen muß. Das andere Ende des Lichtleiters endet an einer optischen Auskoppeleinheit 5, die ihrerseits mit ei­ ner Auswertevorrichtung 6 verbunden ist.

Die optische Auskoppeleinheit 5 besteht im wesentlichen aus einem Strahlenteiler 50, einem Umlenkspiegel 51, zwei optischen Bandfiltern 52, 53 und zwei IR-Detektoren 54, 55.

Die Auswertevorrichtung (Fig. 2) weist eine Detektoran­ steuerung 60, mit der der jeweils gewünschte Detektor 54, 55 aktiviert werden kann, auf. Außerdem enthält die Auswer­ tevorrichtung einen Differenzverstärker 61, dem über ein Filter 62 und einen AD-Wandler 63 ein Mikroprozessor 64 nachgeschaltet ist. Die Ausgangsleitung des Mikroprozes­ sors ist mit 65 gekennzeichnet. Die Eingänge des Differenz­ verstärkers 61 sind mit den Ausgängen der Detektoren 54, 55 verbunden.

Im folgenden wird mit Hilfe der Fig. 1 und 2 das Verfahren gemäß der Erfindung erläutert:
Die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende IR-Strahlung ge­ langt über das Eintrittsfenster 4, welches beispielsweise ein Saphirfenster ist, über den Lichtleiter 3 an den Strah­ lenteiler 50. Ein Teil des IR-Strahles gelangt über das In­ terferenzfilter 52, welches beispielsweise lediglich Licht der Wellenlänge 2 µm durchläßt, auf den IR-Detektor 54. Ein zweiter Lichtstrahl gelangt von dem Strahlenteiler 50 über den Umlenkspiegel 51 und über das zweite Interferenz­ filter 53, welches beispielsweise lediglich Licht der Wel­ lenlänge 5 µm durchläßt, an den zweiten IR-Detektor 55.

Die am Ausgang der IR-Detektoren 54 und 55 erzeugten Span­ nungssignale werden nach Verstärkung und AD-Wandlung dem Mikroprozessor 64 (Fig. 2) zugeführt. Dieser berechnet nun durch sukzessive Approximation die Temperatur. Hierzu wird von folgender Beziehung ausgegangen:

M_a (λ, T) = ε (λ, T) × M_S (1)

wobei M_a die tatsächlich gemessene Strahlungsleistung, ε der Emissionsgrad und M_S die Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers ist, welche nach dem Planckschen Gesetz berechnet werden kann.

In erster Näherung wird nun ε = 1 gesetzt und mit Hilfe des Planckschen Gesetzes die Temperatur T 1 berechnet. Diese Temperatur wird dann in die entsprechende Gleichung für M_a (λ 2, T) eingesetzt und hieraus ein erster Wert für ε ermittelt (ε 1).

Der Wert ε 1 wird nunmehr in die Beziehung für M_a (λ 1, T) eingesetzt und ein neuer Temperaturwert T 2 berechnet. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis die Differenz zweier ε-Werte kleiner ist als ein vorgegebener Wert (z. B. δ ε ≦ 10^-1).

Außer dem vorstehend erwähnten Verfahren, kann mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Schaltung auch eine Ermittlung der Temperatur durch sukzessive Approximation vorgenommen werden, bei der außer der gemessenen Strahlungsleistung für einen bestimmten Wellenlängenbereich auch die Diffe­ renz zwischen den Strahlungsleistungen benachbarter Wellen­ längenbereiche herangezogen wird. Dieses wird im folgenden näher erläutert:
Aus der gemessenen Strahlungsleistung M_a (λ 1, T) wird wie­ derum mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes ein er­ ster Temperaturwert T 1 ermittelt, wobei wiederum ε = 1 ge­ setzt wird. Diesen Temperaturwert setzt man in die Bezie­ hung:

ein, wobei

Δ M = M_a (λ 1, T)-M_a (λ 2, T)
Δ λ = λ 1-λ 2
A = 5 x ^-1-e^x (e^x-1)^-1 mit x = hc/KTλ

ist.

Aus der Beziehung (2) wird ein korrigierter ε-Wert (ε 2) ermittelt und in die Beziehung gemäß Gleichung (1) einge­ setzt. Dann wird ein korrigierter neuer Wert T 2 bestimmt und in Gleichung (2) eingesetzt etc.

Mit Hilfe des Differenzverstärkers 61 (Fig. 2) kann direkt der Wert Δ M ermittelt werden.

Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen die Betriebstemperatur laufender Turbinenschaufeln 22 ei­ ner Gasturbine ermittelt werden sollen. In Fig. 3 wird die Temperatur in den Fußpunktbereichen der Schaufeln be­ stimmt. Dabei ist mit 20 der innere Turbinenmantel und mit 21 der Turbinenfußbereich bezeichnet. Die von den Fußberei­ chen ausgehende Strahlung 23 gelangt über ein hitzebestän­ diges Eintrittsfenster 40, beispielsweise ein Saphirfen­ ster in eine Einkoppeleinheit 30 des Lichtwellenleiters. Ggf. kann sich die Temperaturmessung des Saphirfensters (oder eines anderen hitzebeständigen Materials, wie Dia­ mant etc.) als notwendig erweisen. Die Eigenstrahlung des Fensters kann auf diese Weise berücksichtigt werden.

Die Einkoppeleinheit 30 kann beispielsweise ein Linsensy­ stem 31, 32 aufweisen, mit dem die IR-Strahlen 23 derart gebündelt werden, daß sie optimal in den Lichtleiter 3 ein­ gekoppelt werden. Aufgrund der Rotationsbewegung der Schau­ feln 22 ergibt sich ein zeitlich variables Signal, in dem auch der direkte Schaufelbereich erfaßt wird. Durch perio­ disches Ausblenden und frequenzselektive Verstärkung kann der Schaufelbereich bei der Messung unterdrückt werden.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem eine Einkoppeleinheit 30′ des Lichtleiters 3 schräg im inneren Turbinenmantel 20′ in einer Öffnung 24 angeordnet ist. In diesem Fall wird die Temperatur des oberen Randbe­ reiches der Schaufeln 22′ bestimmt.

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Lichtleiters anstatt der Einfügung des IR-Sensors direkt im inneren Tur­ binenmantel besteht darin, daß eine kompakte Montage und ein Detektorbetrieb außerhalb des heißen Turbinenbereiches möglich ist. Selbstverständlich kann statt der optisch dar­ gestellten Auskoppeleinheit mit Strahlenteiler auch eine Anordnung vorgesehen werden, bei der zwei Lichtleiter in die Gehäusewand 2 eingelassen werden, an deren Ausgang dann jeweils ein Interferenzfilter und ein IR-Detektor an­ geordnet werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Kör­ pern, die sich in dem entsprechenden Temperaturbereich jeweils wie ein grauer Strahler verhalten, mit Hilfe von Infrarotdetektoren (54, 55), denen eine Auswerteeinheit (6) nachgeschaltet ist, wobei die von Körpern als Strahlungsquelle (1) abgestrahlte Strahlungsleistung M (λ, T) in minde­ stens zwei getrennten wellenlängenbereichen (λ 1, λ 2) gemessen und in der Auswerteeinheit (6) aus diesen Meßwerten M (λ 1, T), M (λ 2, T) unter Berücksichtigung des Planckschen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T) durch sukzessive Approximation bestimmt wird, wobei zu­ nächst der Emissionsgrad ε 1 (λ, T) = 1 gesetzt wird, daß aus der im ersten Wellenlängenbereich (λ 1) gemessenen Strahlungsleistung M (λ 1, T) ein erster Temperaturwert (T1) ermittelt wird, daß unter Zugrundelegung dieses ersten Temperaturwertes (T1) aus der im zweiten Wellenlängen­ bereich (λ 2) gemessenen Strahlungsleistung M (λ 2, T) ein entsprechender Emissionsgrad ε 2 (λ, T) ermittelt wird, der dann wiederum zur Ermittlung eines neuen Temperatur­ wertes (T2) herangezogen wird, und daß die Approximation abgebrochen wird, wenn δε = ε_n-ε_n-1 (n: Zahl der Approximationsschritte) einem vorgegebenen Wert ist.

2. Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Kör­ pern, die sich in dem entsprechenden Temperaturbereich jeweils wie ein grauer Strahler verhalten, mit Hilfe von Infrarotdetektoren (54, 55), denen eine Auswerteeinheit (6) nachgeschaltet ist, wobei die von Körpern als Strahlungsquelle (1) abgestrahlte Strahlungsleistung M (λ, T) in minde­ stens zwei getrennten Wellenlängenbereichen (λ 1, λ 2) gemessen und in der Auswerteeinheit (6) aus diesen Meß­ werten M (λ 1, T), M (λ 2, T) unter Berücksichtigung des Planckschen Strahlungsgesetzes die Temperatur ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T) durch sukzessive Approximation bestimmt wird, wobei zu­ nächst der Emissionsgrad ε 1 (λ, T) = 1 gesetzt wird, daß aus der im ersten Wellenlängenbereich (λ 1) gemessenen Strahlungsleistung M (λ 1, T) ein erster Temperaturwert (T1) ermittelt wird, daß unter Zugrundelegung dieses ersten Temperaturwertes (T1) aus dem Differenzenquotienten (M (λ 2, T)-M (λ 1, T))/(λ 2-λ 1) ein neuer Emissions­ grad ε 2 (λ, T) ermittelt wird, der dann wiederum zur Ermittlung eines neuen Temperaturwertes (T2) herangezogen wird, und daß die Approximation abgebrochen wird, wenn δε = ε_n-ε_n-1 (n: Zahl der Approximationsschritte) einem vorgegebenen Wert ist.

3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Messung der Betriebstemperatur laufender Turbinenschau­ feln (22, 22′).