DE4114369A1

DE4114369A1 - Pyrometer

Info

Publication number: DE4114369A1
Application number: DE4114369A
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Tertilt
Original assignee: Keller GmbH
Current assignee: Keller HCW GmbH
Priority date: 1990-05-02
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1991-11-28
Anticipated expiration: 2011-05-03
Also published as: DE4114369C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrsensorpyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung über einen großen Temperaturbereich.

Aus "JP 63-2 38 533 (A) in Patants Abstr. of Japan, Sect P (Pan. 1989) Vol. 13, No. 43 (P-821)" ist bereits ein Pyrometer bekannt, bei dem die Meßstrah lung auf zwei Lichtwege aufgeteilt und jeweils einem von zwei Detektoren (Sensoren) zugeführt wird, deren Sensor-Signale zur Bestimmung der Temperatur des Meßobjekts herangezogen werden.

Die optische Strahlung des einen Sensors ist auf etwa 1/500 der Eingangs strahlung gedämpft. Beide Sensor-Signale werden einem Linearisierer zugeführt und es wird von diesem ein eigenes Signal durch Auswahl zwischen bzw. aus den beiden vorliegenden Sensor-Signalen erzeugt. Eines der beiden Sensor-Signale wird mit einem festen Referenzsignal verglichen und das Ergebnis dieses Ver gleichs stellt ein Auswahlkriterium für das Durchschalten des ersten oder zweiten Sensor-Signals an den Ausgang des Linearisierers dar. Diese Schalt vorgänge führen zu einem Sprung am Ausgang des Schalters und damit letztend lich zu einer sprunghaften, d. h. stufenweisen Auswertung des Meßergebnisses - wie dies auch das Y-I-Diagramm zeigt. Daraus ergibt sich ein ungenaues Temperatur-Messen in der Nähe des Umschaltpunktes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Pyrometer für einen großen Meßbereich zu schaffen, welches trotz Einsatz mehrer Sensoren zum Temperatur-Messen bei einfachem Aufbau ein einwandfreies Meßergebnis erstellt.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung erreicht, bei dem

a) eine Optik (1) die empfangene Meßstrahlung mehreren Sensoren (S1-Sn) zuführt, welche dieselbe in Signale umsetzen,
b) mehrere Sensoren (S1-Sn) vorhanden sind, wobei mindestens zwei für unterschiedliche Temperaturbereiche ausgelegt sind,
c) sich die Sensor-Kennlinien (K1-K8), welche sich aus dem elektrischen Signal-Wert und dem Temperatur-Wert ergeben, ergänzen, d. h. lückenlos aneinanderreihen, bzw. überschneiden und insgesamt einen großen Temperaturbereich durchgehend abdecken/überspannen,
d) die Signale der Sensoren (S1-Sn) einer einen Mikroprozessor (2) aufwei senden Auswerteschaltung (Auswerteeinheit) (2-4) zugeführt werden, welche eine
1. Meßwert-Aufbereitung,
2. Eichwerte-Normierung jedes Sensors (S1-Sn),
3. Korrektur des Übergangs von einem Sensor-Signal (S1; S2; S3) zum
nächsten Sensor-Signal (S2; S3; Sn),
4. Temperatur-Bestimmung,
5. Meßwert-Ausgabe
durchführt,
e) der Mikroprozessor (2) mit einem Programm-Speicher (3) verbunden ist, welcher sämtliche Rechner- und Steuerungsprogramm des Pyrometers auf nimmt/enthält und dem ein Kalibrierwerte-Speicher (4) zugeordnet ist, und
f) die Auswerteschaltung (2-4) in stufenloser Auswertung ein auf den ge samten Meßbereich des Pyrometers bezogen stetiges Ausgangssignal zur Meßwert-Anzeige zur Verfügung stellt.

Mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Pyrometer wird nun über den gesamten Meßbereich, der sogar von unter 0°C bis 3000°C reichen kann, ein stetiges (stufenloses Ausgangssignal) erreicht und damit einwandfeie Temperaturmessung gewährleistet.

Die Eichkurve eines Sensors wird über Koordinatenpunkte aus Tempertur und Sensorsignal ermittelt. Nach dieser Erfindung wird die gesamte Eichkurve über die Koordinatenpunkte der Eichwerte aller zu einem Pyrometer zusammengefaßten Sensoren ermittelt. Dabei darf auch der optische Strahlengang unterschiedlich sein, und über bestimmte Temperaturbereiche ist die Quotientenberechnung ver schiedener Spektralbereiche zulässig. Es gelangen Sensoren mit unterschied lichen Eigenschaften zum Einsatz. Die Parameter können für jeden Sensor un terschiedlich gewichtet sein. Entscheidend ist, daß das Pyrometer-Ausgangs signal von dem Auswerteprozessor eindeutig zur Verfügung gestellt wird. Selbstverständlich ist die Eindeutigkeit nur bei einem sich mit der Tempera tur stetig verändernden Signal möglich. Der Übergang von einem Pyrometersen sorsignal zum nächsten kann über eine lineare Wichtung oder nach bekannten Fehleroptimierungsverfahren erfolgen. Lineare Wichtung bedeutet folgendes: In dem Bereich, in dem sich die Kennlinien zweier Detektoren überlappen, erfolgt eine lineare Abnahme der Wichtung des einen Sensors von 1 auf 0 und eine lineare Zunahme von 0 auf 1 der Kennlinie des anderen Sensors.

Mit Hilfe üblicher numerischer Rechenverfahren werden Kennlinien von Pyrome ter-Sensoren normiert und im Bedarfsfall linearisiert. Ebenso ist es möglich, aus einer Anzahl von Meßwert-Paaren, die einen funktionellen Zusammenhang darstellen, eine Funktion für die Ausgangsgröße zu ermitteln - die Art des gewählten Auswerteverfahrens kann die Genauigkeit, aber nicht das Prinzip beeinflussen.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Pyrometers mit mehreren Sensoren und einer die Sensor-Signale auswertenden Auswerteschal tung/Auswerteeinheit,

Fig. 2 ein Kurven-Diagramm der Sensor-Kennlinien bei einem Mehrsensorpyro meter mit zwei Sensoren, wobei die tiefste zu messende Temperatur unter 0°C liegt,

Fig. 3 ein Kurven-Diagramm eines abgeänderten Mehrsensorpyrometers mit drei Sensoren, Meßbereich im Minusgradbereich beginnend, und

Fig. 4 ein Kurven-Diagramm eines weiteren Mehrsensorpyormeters mit drei Sensoren, wobei die Sensoren derart gewählt und ausgewertet werden, daß im unteren Meßbereich des Pyrometers sich ein Spektralpyrometer und im weiteren Meßbereich sich ein Quotientenpyrometer ergibt.

Das erfindungsgemäße Pyrometer kann als Spektralpyrometer, als Quotienten pyrometer oder als Spektral- und Quotientenpyrometer (dabei im unteren Meß bereich als Spektralpyrometer und im oberen Meßbereich als Quotientenpyro meter, vgl. Fig. 4) ausgebildet sein.

Es besitzt mehrere, d. h. mindestens zwei, in besonders bevorzugter Weise drei, mit S1-Sn bezifferte Sensoren als Strahlungsempfänger. Das erfindungs gemäße Spektralpyrometer benötigt zur Funktionsfähigkeit zwei Sensoren (vgl. Fig. 2), wogegen für das Spektral-Quotienten-Pyrometer drei Sensoren erfor derlich sind. Eine Erhöhung der Sensoren-Anzahl ist prinzipiell möglich - dies kann durch entsprechende Auswahl der Sensoren zu einer Erhöhung des Meßbereichs führen.

Die einzelnen Sensoren haben unterschiedliche Meßempfindlichkeit. Die Meß bereiche sind dabei derart aufeinander abgestimmt, daß sie sich ergänzen bzw. überschneiden. Die Sensor-Empfindlichkeit kann vom Minusbereich °C bis zum hohen Plusbereich (z. B. 3000°C) reichen oder nur in einem Tempera turbereich (z. B. Bereich der Plusgrade) in Celsius liegen - bei einer beson ders bevorzugten Ausführung als "Spektral-Quotienten-Pyrometer" ist ein durchgehender Meßbereich von +250°C bis +3000°C vorhanden. Des weiteren ist es möglich, Sensoren unterschiedlicher Wellenlänge (dies für ein Quotienten pyrometer) einzusetzen.

Das erfindungsgemäße Mehrsensorpyrometer weist eine Optik 1 auf, welche die empfangene Meßstrahlung den Sensoren S1-Sn zuführt, die dieselben in Signale umsetzen, welche dann der Auswerteschaltung (Auswerteeinheit) - die einen Mikroprozessor 2 mit entsprechendem Programm aufweist - zugeführt werden. Der Mikroprozessor 2 ist mit einem Programm-Speicher 3 verbunden, welcher sämtli che Rechner- und Steuerungsprogramme des erfindungsgemäßen Mehrsensorpyrome ters enthält. Der Programm-Speicher kann mit einem Kalibrierwerte-Speicher 4 verbunden sein bzw. einen solchen beinhalten. Des weiteren ist der Mikropro zessor mit einer als Ganzes mit 5 bezifferten Einheit verbunden, welche die Anordnung von Bedienelementen, Schnittstellen, Statussignalen dient. Der Mikroprozssor 2 weist mindestens einen Ausgang 6 für die Meßwertausgabe auf.

In den Kennlinien-Diagrammen sind auf der einen Achse die Werte für die "Temperatur" in °C und auf der anderen Achse die Werte für das elektrische "Signal" angegeben.

Bzgl. Gesamtoffenbarung der Erfindung wird auf die Beschreibungseinleitung und auf die Ansprüche verwiesen - eine entsprechende Ergänzung der speziellen Beschreibung kann unter Berücksichtigung der darin gemachten Aussagen vorge nommen werden.

Claims

1. Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung, bei dem

a) eine Optik (1) die empfangene Meßstrahlung mehreren Sensoren (S1-Sn) zuführt, welche dieselbe in Signale umsetzen,
b) mehrere Sensoren (S1-Sn) vorhanden sind, wobei mindestens zwei für unterschiedliche Temperaturbereiche ausgelegt sind,
c) sich die Sensor-Kennlinien (K1-K8), welche sich aus dem elektrischen Signal-Wert und dem Temperatur-Wert ergeben, ergänzen, d. h. lückenlos aneinanderreihen, bzw. überschneiden und insgesamt einen großen Temperaturbereich durchgehend abdecken/überspannen,
d) die Signale der Sensoren (S1-Sn) einer einen Mikroprozessor (2) aufweisenden Auswerteschaltung (Auswerteeinheit) (2-4) zugeführt werden, welche eine
1. Meßwert-Aufbereitung,
2. Eichwerte-Normierung jedes Sensors (S1-Sn),
3. Korrektur des Übergangs von einem Sensor-Signal (S1; S2; S3) zum nächsten Sensor-Signal (S2; S3; Sn),
4. Temperatur-Bestimmung,
5. Meßwert-Ausgabe
durchführt,
e) der Mikroprozessor (2) mit einem Programm-Speicher (3) verbunden ist, welcher sämtliche Rechner- und Steuerungsprogramme des Pyrometers auf nimmt/enthält und dem ein Kalibrierwerte-Speicher (4) zugeordnet ist, und
f) die Auswerteschaltung (2-4) in stufenloser Auswertung ein auf den ge samten Meßbereich des Pyrometers bezogen stetiges Ausgangssignal zur Meßwert-Anzeige zur Verfügung stellt.

2. Pyrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung (2-4), welche die Eichwerte eines jeden Sensors (S1-Sn) mittels des Mikropro zessors (2) normiert und die Zwischenwerte linearisiert sowie zu einem gemeinsamen Ausgangssignal abweichungsoptimiert zusammenfaßt und dieses Ergebnis als Ausgangssignal (6) zur Verfügung stellt.

3. Pyrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung (2- 4), welche die Korrektur des Obergangs von einem Sensor-Signal (S1, S2, S3) zum nächsten Sensor-Signal (s2, s3, Sn) nach einem Fehleroptimierungs verfahren durchführt.

4. Pyrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung (2- 4), welche den Übergang von einem Sensor-Signal (S1, S2, S3) zum nächsten Sensor-Signal (S2, S3, Sn) über eine lineare Wichtung durchführt.

5. Pyrometer nach mindestens einem der Ansprüch 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß es als Spektral-Quotienten-Pyrometer ausgebildet ist, wobei es für den unteren Temperaturbereich als Spektralpyrometer und für den oberen Temperaturbereich als Quotientenpyrometer ausgebildet ist.

6. Pyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausführung als "Spektral-Quotienten-Pyrometer" als Strahlungsempfänger (Strahlungs sensor) für den Spektralpyrometerteil ein Sensor (mit Kennlinie K6) und für Quotientenpyrometerteil zwei Sensoren (mit der Kennlinie K7, K8) - die unterschiedliche Wellenlänge haben - vorhanden sind, wobei die Sensor- Kennlinien (K7, K8) des Quotientenpyrometerteils parallel verlaufend aus gebildet sind.