FR2518744A1

FR2518744A1 - Pyrometric temp. detection using spectral reflection characteristics - including iteration to obtain unknown variables in given equations

Info

Publication number: FR2518744A1
Application number: FR8124016A
Authority: FR
Inventors: Manfred Eimmerhackl; Franz Engel
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Priority date: 1981-12-22
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1983-06-24

Abstract

The temp. of a test object is detected by a pyrometric array sensitive to different spectral ranges. The emitted radiation signals are measured when the object is and is not illuminated by an auxiliary source and are combined by a processor for providing the spectral reflection characteristics of the object. The spectral reflection characteristics are used with the signals obtained when the object is not illuminated by the auxiliary source to obtain the object temp. and the spectral emission gradient using iteration and non-linear equations. The temp. is determined using the min. of information.

Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, pour la mesure sans contact de la température, indépendamment du pouvoir émissif, par pyrométrie à radiatior, l'invention trouvant une application dans toutes les branches ue l'économie. The invention relates to a method and a device for the implementation of this method, for the contactless measurement of the temperature, independently of the emissivity, by radiative pyrometry, the invention finding an application in all branches of the industry. economy.

Alors que l'indication des modifications relatives de température au moyen de dispositifs de mesure pyronvé- triques pose rarement un problème, la détermination de la température absolue par des moyens purement pyrométriques se heurte encore à des difficultés considérables, qui sont en particulier occasionnées par le fait que l'on ne dispose d'aucune connaissance ou seulement de connaissances imprécises, sur le pouvoir émissif de l'objet de la mesure, dans des conditions de mesure données.Alors qu'avec un pyromètre global, à bande ou à spectre, on ne peut déterminer la température réelle que si le pouvoir émissif est connu et constant dans le temps, par eorrection appropriée des grandeurs de mesure, avec des pyromètres proportionnels ou pyromètres chromatiques la température réelle peut être déterminée également à la surface d'objets à pouvoir émissif variable, pour autant qu'il s'agisse d'un "corps gris". Or, on ne rencontre ce dernier cas que de façon exceptionnelle (Lieneweg : Handbuch, Technische Temperaturmessung, Vieweg
Verlag 1976, pages 314-318).While the indication of relative temperature changes by means of pyronveteric measuring devices rarely poses a problem, the determination of the absolute temperature by purely pyrometric means still encounters considerable difficulties, which are in particular caused by the fact that we have no knowledge or only imprecise knowledge, on the emissivity of the object of the measurement, under given measurement conditions. While with a global pyrometer, band or spectrum, the real temperature can only be determined if the emissivity is known and constant over time, by appropriate correction of the measured variables, with proportional pyrometers or chromatic pyrometers the real temperature can also be determined on the surface of objects to be able variable emissive, as long as it is a "gray body". However, the latter case is encountered only exceptionally (Lieneweg: Handbuch, Technische Temperaturmessung, Vieweg
Verlag 1976, pages 314-318).

On connaît en outre des dispositifs de mesure pyromètriques, qui déterminent la température réelle au moyen de la projection d'un émetteur auxiliaire par l'intermédiaire de la mesure du taux de réflexion. Il est nécessaire, en ce cas, de disposer d'une réflexion régulière et d'une disposition géomètrique fixe déterminée entre le dispositif de mesure pyrome trique, l'émetteur auxiliaire et la surface de objet à mesurer. In addition, pyrometric measuring devices are known which determine the actual temperature by means of the projection of an auxiliary emitter by means of the measurement of the reflection rate. It is necessary, in this case, to have a regular reflection and a fixed geometrical arrangement determined between the pyrometric measuring device, the auxiliary emitter and the surface of the object to be measured.

Or, ceci n'arrive que dans quelques cas spéciaux (Tingwaldt, C:
Ein einfaches optisches Verfahren zur direkten Ermittlung wahrer Temperaturen glühender Metalle, Z. Metallkunde 51 (1960) 2, pages 116 - 119; Xellsall, D. : An Automatic emissivity compensated radiation pyrometer J.Sci. instar. 40 (1963) pages 1 - 4,
Preisleben, R. : Pyrometrische Messungen an GltSkatoden mit poroser Oberflàche, Int. Xolloquium der TR Ilmenau (1965),
Vortragsreihe Messtechnik, R. 9, pages 17 - 23); Svet (Offenlegungsschrift 1648233, 1972, 42 i, 8/60) et nécessite l'emploi de diverses grandeurs invariables avec la température, pour la compensation de l'influence du pouvoir émissif et du pouvoir de transmission, plusieurs zones spectrales devant être utilisées.However, this only happens in a few special cases (Tingwaldt, C:
Ein einfaches optisches Verfahren zur direkten Ermittlung wahrer Temperaturen glühender Metalle, Z. Metallkunde 51 (1960) 2, pages 116 - 119; Xellsall, D.: An Automatic emissivity compensated radiation pyrometer J. Sci. instar. 40 (1963) pages 1 - 4,
Preisleben, R.: Pyrometrische Messungen an GltSkatoden mit poroser Oberflàche, Int. Xolloquium der TR Ilmenau (1965),
Vortragsreihe Messtechnik, R. 9, pages 17 - 23); Svet (Offenlegungsschrift 1648233, 1972, 42 i, 8/60) and requires the use of various quantities which are invariable with temperature, for the compensation of the influence of the emissive power and the power of transmission, several spectral zones having to be used.

Le procédé proposé par Svet n'est approprié que pour le domaine des températures élevées, lorsque l'approgima- tion de Wien est valable, et lorsqu'on dispose d'informations préalables suffisantes concernant la variation du pouvoir émissif en fonction de la longueur d'onde. Les informations préalables doivent être vérifiées sur l'objet, car autrement il peut se produire des mesures erronnées, dont on ne pourrait se rendre compte (Svet : IMEEO VIII pages 13 - 5 bis 13 - 11, Die Probleme ~der Strahlungs-Pyrometrie und einige neue Môglicbkeîten ihrer lbsung, 1979). The method proposed by Svet is only suitable for the area of high temperatures, when the approval of Wien is valid, and when there is sufficient prior information concerning the variation of the emissivity as a function of the length d 'wave. The prior information must be checked on the object, because otherwise erroneous measurements may occur, which one could not realize (Svet: IMEEO VIII pages 13 - 5 bis 13 - 11, Die Probleme ~ der Strahlungs-Pyrometrie und einige neue Môglicbkeîten ihrer lbsung, 1979).

L'invention a pour objectif d'éliminer les in- convénients cités des solutions techniques mentionnées. The object of the invention is to eliminate the cited disadvantages of the technical solutions mentioned.

L'avantage qugapporte l'utilisation de l'invention consiste en particulier en ce quelle peut être mise en oeuvre dans des zones de basses et de hautes températures. -De plus, il n'est plus nécessaire de remplir les diverses-condi- tions posées lors de l'utilisation des procédés et diapositifs connus. Ainsi, par exemple, il n'est pas nécessaire de disposer d'une réflexion régulière et d'une disposition géomètrique fixe entre le dispositif de mesure pyromètrique, l'émetteur auxiliai re et la surface de l'objet de la mesure. De plus, on n'a pas besoin de vérifier sur l'objet les informations préalables con- cernant l'évolution du pouvoir émissif afin d'obtenir des résultats de mesure univoques.On peut, en outre, utiliser l'invention en dehors du domaine de validité de l'approximation de Wien, de sorte que le procédé selon I'invention, peut être considéré comme le plus universel que lton puisse mettre en service à ce jour. The advantage brought by the use of the invention consists in particular in that it can be implemented in areas of low and high temperatures. -Furthermore, it is no longer necessary to fulfill the various conditions posed when using known methods and slides. Thus, for example, it is not necessary to have regular reflection and a fixed geometrical arrangement between the pyrometric measurement device, the auxiliary emitter and the surface of the object of the measurement. In addition, there is no need to check on the object the prior information relating to the evolution of the emissive power in order to obtain unequivocal measurement results. One can, moreover, use the invention outside the range of validity of the Wien approximation, so that the method according to the invention can be considered as the most universal that can be brought into use to date.

L'invention a pour objectif de permettre une détermination de la température réelle-d'un objet dont le pouvoir émissif est connu avec peu de précision et/ou est variable, avec allure monotone du pouvoir émissif, sans installation géomètrique fixe entre l'objet, le dispositif de mesure pyromètrique et l'émetteur auxiliaire, aussi bien dans les zones de températures élevées que dans les zones de basses températures. The invention aims to allow a determination of the real temperature of an object whose emissivity is known with little precision and / or is variable, with monotonous appearance of the emissive power, without a fixed geometrical installation between the object , the pyrometer and the auxiliary transmitter, both in high temperature areas and in low temperature areas.

A cet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce que, au moyen d'un dispositif pyromètrique sensible dans plusieurs zones spectrales) on peut utiliser non seulement les signaux de bandes de la surface de l'objet mesuré comme signaux d'entrée pour une calculatrice, mais aussi les radiations de l'environnement de objet mesuré ou une grandeur les caractérisant, comme par exemple la température environnante. Si le rayonnement environnant est négligeable par rapport au rayonnement de l'objet, on utilise une radiation auxiliaire de composition spectrale connue, qui sera réfléchie également, comme le rayonnement environnant, par l'objet mesuré, dans le dispositif de mesure pyromètrique. To this end, the invention provides a method characterized in that, by means of a sensitive pyrometric device in several spectral zones) it is possible to use not only the band signals of the surface of the object measured as input signals for a calculator, but also the radiation from the environment of the object being measured or a quantity characterizing them, such as the surrounding temperature. If the surrounding radiation is negligible compared to the radiation of the object, an auxiliary radiation of known spectral composition is used, which will also be reflected, like the surrounding radiation, by the object measured, in the pyrometric measuring device.

Contrairement aux procédés connus, qui utilisent des émetteurs auxiliaires, on ne détermine que le rapport du pouvoir de réflexion des zones spectrales individuelles, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'avoir une disposition géomètrique fixe,- ni une réflexion régulière. Unlike known methods, which use auxiliary transmitters, only the ratio of the reflection power of the individual spectral zones is determined, so that it is not necessary to have a fixed geometrical arrangement, - nor a regular reflection.

Dans le cas de mesure de radiations multispectrales, il apparaît pour chaque valeur de mesure spectrale ou de bande, une nouvelle inconnue, le pouvoir émissif spectral ou de bande. Un gain d';nformations n'est obtenu que s'il exis- te des données concernant la combinaison des pouvoirs émissives dans les différentes zones spectrales ou si leur variation en fonction de la longueur d'onde est connue. Le cas spécial à cet effet est constitué par le simple pyromètre proportionnel, avec #1 = #2. In the case of multispectral radiation measurement, there appears for each spectral or band measurement value, a new unknown, the spectral or band emissive power. A gain of information is only obtained if there are data concerning the combination of the emissive powers in the different spectral zones or if their variation as a function of the wavelength is known. The special case for this purpose consists of the simple proportional pyrometer, with # 1 = # 2.

Le principe de la pyromètrie proportionnelle peut hêtre appréhendé comme la solution d'un système d'équations non linéaire de la forme t

The principle of proportional pyrometry can be understood as the solution of a system of non-linear equations of the form t

dans lequel, à partir des grandeurs U (signal de bande), (lon
gtieur d'onde effective) et Tu (température environnante) connues,
on peut déterminer la température inconnue X0 de l'objet et le
pouvoir émissif # (deux équations à deux inconnues).in which, from the quantities U (band signal), (lon
known effective wave generator) and Tu (surrounding temperature),
we can determine the unknown temperature X0 of the object and the
emissive power # (two equations with two unknowns).

La formation habituelle de la proportionnalité
ne permet pas d'atteindre le but dans les zones des basses tem
pératures, car le signal de proportionnalité ne peut Qtre éta
lonné selon la température de l'objet, indépendamment du pouvoir
émissif et de la température environnante. De ce fait, il faut résoudre le système d'équations non linéaire. The usual formation of proportionality
does not achieve the goal in low tem areas
peratures, because the proportionality signal cannot be
lonnée according to the temperature of the object, regardless of power
emissive and the surrounding temperature. Therefore, it is necessary to solve the system of nonlinear equations.

Le principe de la pyrqmètrie proportionnelle peut être élargi à M mesures spectrales ou de bande. On peut alors déterminer N N inconnues: les températures des objets et une dépendance de la longueur d'onde, que l'on peut représenter avec (N - 1) paramètres, du pouvoir émissif (par exemple a a + b + c 2 + ..,.. x N 2). La chambre de mesure pré- parée peut être conçue comme la projection d'un rayonnement connu. Si les mesures se font dans trois zones spectrales, l'information est ainsi possible, si l'objet dans ces zones rayonne en "gris" et dans quatre zones spectrales, s'il existe une allure linéaire du pouvoir émissif. The principle of proportional pyrometry can be extended to M spectral or band measurements. We can then determine NN unknowns: the temperatures of the objects and a dependence of the wavelength, which we can represent with (N - 1) parameters, of the emissive power (for example aa + b + c 2 + .. , .. x N 2). The prepared measuring chamber can be designed as the projection of known radiation. If the measurements are made in three spectral zones, information is thus possible, if the object in these zones radiates in "gray" and in four spectral zones, if there is a linear appearance of the emissive power.

Si les mesures se font avec un rayonnement auxiliaire projeté, dans deux zones spectrales, le rapport des pouvoirs de réflexion V = #1/#2 peut Entre déterminé. Si les mesures se font sans rayonnement auxiliaire, on peut déterminer les temperatures de l'objet (3 équations à 3 inconnues). If the measurements are made with a projected auxiliary radiation, in two spectral zones, the ratio of the powers of reflection V = # 1 / # 2 can Between determined. If the measurements are made without auxiliary radiation, the temperatures of the object can be determined (3 equations with 3 unknowns).

La disposition géométrique et le pouvoir de réflexion dépendent uniquement de ce qu'une partie, mesurable avec une précision suffisante, du rayonnement auxiliaire puisse être perçue par le dispositif de mesure pyromètrique.The geometrical arrangement and the power of reflection depend only on the fact that a part, measurable with sufficient precision, of the auxiliary radiation can be perceived by the pyrometric measuring device.

Des mesures de rapport des pouvoirs de réfle zion dans 3 zones spectrales permettent que la température environnante soit admise comme inconnue, c'est-å-dire que la pré- paration de la chambre de mesure soit vérifiée. Reflection power ratio measurements in 3 spectral zones allow the surrounding temperature to be accepted as unknown, that is to say that the preparation of the measurement chamber is checked.

Le traitement des signaux (solution du système d'équation non linéaire) s'effectue selon le procédé dtitération et nécessite la mise en oeuvre d'une technique de microcalcul à grand rendement, où doit exister une possibilité de mémorisation des caractéristiques de signal de bande définies sur le corps noir". De plus, on a avantage à introduire manuellement les pouvoirs émissifs spectraux ou dé bandes et les rapports de pouvoirs émissifs. Signal processing (solution of the non-linear equation system) is carried out according to the iteration process and requires the implementation of a high-performance microcomputing technique, where there must be a possibility of memorizing the band signal characteristics. defined on the black body ". In addition, it is advantageous to manually introduce the spectral emissive powers or bands and the emissive power relationships.

On détermine au moyen du procédé d'itération, la température réelle de l'objet et le pouvoir émissif, par combinaison des valeurs de mesure des signaux de bande avec la v leur mise en mémoire des caractéristiques de signal de bande. The actual temperature of the object and the emissivity, by the iteration process, are determined by combining the measurement values of the band signals with the storage of the band signal characteristics.

D'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple décrit ci-dessous : exemple de réalisation
Le dispositif pyromètrique comporte trois zones spectrales fixes. Comme détecteur, on utilise un détecteur mul- tispectral sensible dans trois zones spectrales, composé par exemple de groupes de raies Hg, Cd, Te, au moyen de quoi s'effec- tue l'articulation des zones spectrales. Pour focaliser le rayonnement infrarouge, on utilise un objectif à lentille ou à miroir. Le traitement de l'information s'effectue au moyen d'un microprocesseur. Par commutation appropriée, l'affichage et la correction des signaux de bande individuels sont également possibles.L'exploitation de deux zones spectrales seulement est possible en présence de "corps gris". Si l'on connait l'allure théorique du pouvoir émissif spectral, la température réelle de l'objet peut être déterminée par résolution du système d'équations non linéaire.The invention will be better understood using the example described below: exemplary embodiment
The pyrometric device has three fixed spectral zones. As detector, a sensitive multispectral detector is used in three spectral zones, composed for example of groups of lines Hg, Cd, Te, by means of which the articulation of the spectral zones is effected. To focus the infrared radiation, a lens or mirror lens is used. Information processing is carried out by means of a microprocessor. By appropriate switching, display and correction of individual band signals is also possible. Operation of only two spectral zones is possible in the presence of "gray bodies". If we know the theoretical shape of the spectral emissive power, the real temperature of the object can be determined by solving the system of non-linear equations.

On peut introduire dans une mémoire les grandeurs connues, comme par exemple les pouvoirs émissifs, ainsi que leurs rapports et leurs allures. De plus, les pouvoirs émissifs évalués peuvent entrer automatiquement en mémoire. We can introduce into a memory the known quantities, such as for example the emissive powers, as well as their relationships and their gaits. In addition, the emissive powers evaluated can automatically enter into memory.

La calculatrice est utilisée en outre pour la compensation de l'inÎluence des pouvoirs émissifs. The calculator is also used to compensate for the influence of the emissive powers.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif pyromètrique comporte quatre zones spectrales fixes. On admet ici une allure linéaire de pouvoir émissif, et avec la quatrième zone spectrale, on peut obtenir la confirmation par concordance des températures d'objet évaluées,
Il est en outre possible que le dispositif pyromètrique comporte trois zones spectrales fixes et qu'en plus, il soit prévu l'utilisation d'un émetteur auxiliaire.According to another embodiment, the pyrometric device comprises four fixed spectral zones. We assume here a linear appearance of emissive power, and with the fourth spectral zone, we can obtain confirmation by agreement of the evaluated object temperatures,
It is also possible that the pyrometric device has three fixed spectral zones and that, in addition, provision is made for the use of an auxiliary transmitter.

La température environnante est admise ici comme inconnue. Lorsqu'on nte}caloite que deux zones spectrales, la température environnante doit être connue. L'émetteur auxiliaire permet, en outres un post-étalonnage automatique. The surrounding temperature is accepted here as unknown. When nt} calo only two spectral zones, the surrounding temperature must be known. The auxiliary transmitter also allows automatic post-calibration.

Claims

R V E N D I C A T 1 O N S

1 'Method and device for the realization of this method, for the measurement of temperatures, without contact, independently of the emissivity, characterized in that with a sensitive pyrometric device in several spectral zones, one collects one after the other as quantities input, the band signals of a measured object radiation with or without auxiliary radiation of known spectral composition, reflected by the surface of the measured object, and enters them into a calculator, where a combination is made of so that the ratios of the spectral reflection powers of the surface of the objects to be measured are calculated and used as known quantities of a system of non-linear equations, in common with all the band signals, as well as the characteristics of band signals of the individual spectral zones introduced into memory, which have been determined on black radiation, the solution of the system of equations being effected by means of a pro yielded from iteration, and the unknown quantities, such as the real temperature of the objects, and the spectral emissive powers being thus determined.

2.- Method according to claim 1, characterized in that instead of a special auxiliary radiation, radiation from the environment of the measured object is used and a quantity characterizing it is used, such as the surrounding temperature , for the calculator as input quantity, and that in the calculator we determine by similar combination algorithms the unknown quantities such as the object temperature and the spectral emissive power.

3.- Method according to claim 1, characterized in that the known quantities, such as for example the emissive power, as well as the ratios and the shape of the emissive powers, are introduced into the computer.

4.- Method according to claim 1, characterized in that the combination steffectue by the computer, so that the intensity ratios are evaluated and compared each time, that is to say for two band signals , and that in ~ case of identical object temperatures, we can conclude that there is a "gray body" and the lane object temperature.

5.- A method according to claim 1, character ized in that the dalculator of the pyrometric device is used, in addition to compensating for the influence of the shoemaker temperatures, and in connection with the auxiliary radiation, which is used for determining object temperature, for automatic post-calibration of the pyrometric device and allows the storage of known and measured emissive powers.

6.- Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the sensitive pyrometric device in several spectral zones, contains a device for the selection of spectral zones, which consists for example of filters or prisms or a grid monochromator, the device having a radiation detector in the form of one or more channels, or containing a selective radiation detector in one or more spectral zones, such as for example a detector of Rg, Cd lines,

Te, and being connected with a calculator, a transmitter also liarde being arranged so that the pyrometric device detects, in addition to the radiation of the object to be measured, also the radiation of the auxiliary transmitter reflected by the object.

7.- Device according to claim 6, characterized in that the indication of the individual band signals or of the radiation temperatures which correspond to them, as well as their correction, are contained in the pyrometric device, optionally and switchable, by means an adjustment of the emissive power.