NL8701479A - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een emissiecoefficient van een stralend lichaam. - Google Patents

Description

*

- 1 - HO 655 NL

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET BEPALEN VAN EEN EMIS SIECOËFFICIENT VAN EEN STRALEND LICHAAM

Door aanvraagster worden als uitvinders genoemd:

Ir. Tim LEEK te ALKMAAR Drs. Frans MUILWIJK te ALKMAAR

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor continue bepaling van een emissiecoëfficiënt van een ten hoogste gedeeltelijk diffuus reflecterend lichaam door meting van uit de richting van het lichaam komende straling.

5 Een dergelijke werkwijze en inrichting wordt gebruikt om een nauwkeuriger temperatuurmeting van het lichaam mogelijk te maken, door een op zichzelf bekende op meting van straling gebaseerde temperatuurmeting te ijken met behulp van de emissiecoëfficiënt van het lichaam, een en ander conform de stralingswet van Planck.

10 In een bekende werkwijze en inrichting voor het bepalen van een emissiecoëfficiënt van een lichaam, wordt de hoeveelheid van het lichaam afkomstige straling onder verschillende omstandigheden gemeten. Bekend is het lichaam achtereenvolgens in een zwarte omgeving en in een volledig spiegelende omgeving te plaatsen. Het 15 onder die omstandigheden gemeten verschil in stralingsniveau is een maat voor de emissiecoëfficiënt van het lichaam. Deze meetmethode geeft redelijk betrouwbare resultaten vanaf circa 150°C.

De uitvinding heeft als doel een werkwijze en inrichting voor bepaling van een emissiecoëfficiënt van een ten hoogste gedeelte-20 lijk diffuus reflecterend lichaam te verschaffen, welke voor een wijd temperatuurbereik goed bruikbare resultaten verschaft en in het bijzonder in het temperatuurtraject van 50-1000°C betrouwbare meetresultaten geeft.

Volgens de uitvinding wordt de werkwijze daartoe erdoor geken-25 merkt dat het lichaam intermitterend aangestraald wordt en dat tenminste een vermogenswaarde van een intermitterende component van de 8701 479 *

- 2 - HO 655 NL

straling bepaald wordt, waaruit een maat resulteert voor de emissiecoëfficiënt.

De intermitterende straling welke naar het lichaam wordt gezonden wordt althans ten dele gereflecteerd. De fractie gereflec-5 teerde straling is een maat voor de emissiecoëf f iciënt. Het is wezenlijk voor de uitvinding dat het lichaam intermitterend aangestraald wordt. Dit maakt het mogelijk de gereflecteerde straling te onderscheiden van de eigen straling van het lichaam en de omge-vingsstraling. Hiermee wordt verder het voordeel bereikt dat het te 10 onderzoeken lichaam niet in verschillende omgevingen hoeft te worden geplaatst, maar dat met een enkele meting in de gebruikelijke omgeving van het lichaam kan worden volstaan. Verder is de meting van de emissiecoëfficiënt volgens de uitvinding onafhankelijk van de temperatuur van het lichaam.

15 Bij voorkeur wordt de maximale waarde van het vermogen van de straling bepaald en gebruikt voor de bepaling van de emissiecoëffi-ciënt.

Het heeft de voorkeur dat de aanstraling verkregen wordt met een bron voor monochromatische straling. Dit geeft het voordeel 20 boven een breedbandige aanstraling van het lichaam, dat selectiever aan de gereflecteerde straling kan worden gemeten waardoor de meet-gevoeligheid geoptimaliseerd wordt.

Het is voordelig gebleken dat de intermitteringsfrequentie hoger dan circa 30 Hz en lager dan circa 100 Hz wordt gekozen.

25 De meetnauwkeurigheid en betrouwbaarheid is er bijzonder mee gediend dat de vermogenswaarde van de aanstraling bepaald wordt waaruit in combinatie met de vermogenswaarde van de intermitterende component van de straling, de emissiecoëfficiënt bepaald wordt. Hiermee wordt namelijk bereikt dat de meting ongevoeliger wordt 30 voor de actuele vermogenswaarde van de aanstraling.

De emissiecoëfficiënt is afhankelijk van tal van grootheden, zoals de materiaalsoort van het stralend lichaam, oppervlakte-aspecten daarvan, en dergelijke. De meting van de emissiecoëffi-ciënt kan goed gebruikt worden in een systeem voor de bepaling van 35 onzuiverheden of oppervlaktefouten van het materiaal van het lichaam. Bijzonder bruikbaar is de meting van de emissiecoëfficiënt echter gebleken in een toepassing van de werkwijze simultaan in een werkwijze voor het bepalen van de temperatuur op een plaats van een stralend lichaam.

8701479

- 3 - HO 655 NL

De nieuwe werkwijze blijkt ook goed bruikbaar te zijn in een toepassing waarin continu de temperatuur over de breedte van een bewegende staalband wordt gemeten. In deze toepassing waarin voorheen met een pyrometer-opstelling volstaan moest worden, is nu 5 continu een nauwkeurige temperatuurmeting mogelijk.

De inrichting voor het bepalen van een emissiecoëfficiënt van een ten hoogste gedeeltelijk diffuus reflecterend lichaam wordt er volgens de uitvinding door gekenmerkt dat zij een bron omvat voor intermitterende aanstraling van het lichaam, en een systeem voor 10 ontvangst en geleiding van althans en in hoofdzaak een intermitterend deel van de uit de richting van het lichaam komende straling naar een eerste meetopnemer die gekoppeld is met een filferinrich-ting voor bepaling van de vermogenswaarde van het intermitterende deel in de straling, welke filterinrichting met een verwerkings-15 inrichting is gekoppeld geschikt voor bepaling van de emissiecoëfficiënt uit althans de vermogenswaarde van het intermitterende deel in de straling.

Het heeft de voorkeur dat de verwerkingsinrichting een piek-waardedetector omvat voor bepaling van de maximale vermogenswaarde. 20 Door de bepaling van de maximale waarde van het vermogen van de door het lichaam zowel spiegelend als diffuus gereflecteerde straling, worden de effecten van modulaties in deze straling die het gevolg zijn van fluctuaties in de positie van het lichaam ten opzichte van de inrichting geminimaliseerd.

25 Bij voorkeur is de inrichting zo uitgevoerd dat de filter inrichting althans voor lage frequenties een hoogdoorlaatfilter-karakteristiek heeft met een steilheid van 12 dB/octaaf en een kantelpunt gelijk aan de intermitteringsfrequentie. Hierbij wordt een maximale gevoeligheid voor vermogensvariaties met de intermit-30 teringsfrequentie verkregen en worden stoorfrequenties effectief onderdrukt. De vermogensmeting is daardoor optimaal in het gewenste frequentiegebied, en de meetgevoeligheid is het grootst voor variaties in de gereflecteerde straling.

Een eenvoudige uitvoeringsvorm van de inrichting wordt ver-35 kregen indien de bron een combinatie van een op zichzelf bekende laser en een op zichzelf bekende chopper omvat. Met de laser wordt . bij een geschikte keuze een goedkope bron voor monochromatische straling verschaft, en de chopper is zeer geschikt voor het modu- 07 01479 Λ

- 4 - HO 655 NL

leren van de monochromatische straling met een vaste intermitte-ringsfrequentie.

Bij voorkeur is de chopper op een frequentie hoger dan circa 30 Hz en lager dan circa 100 Hz ingesteld.

5 Het heeft verder de voorkeur dat in de baan van de aanstraling een lens is geplaatst die geschikt is een fractie van de aanstraling naar een tweede meetopnemer te richten ter verkrijging van een maat voor de vermogenswaarde van de aanstraling, welke tweede meetopnemer gekoppeld is met de verwerkingsinrichting. Dit heeft het 10 voordeel dat veroudering van de bron of andere oorzaken waardoor de vermogenswaarde van de aanstraling van het lichaam verandert, slechts een geringe of geen invloed uitoefent op de meetnauwkeurig-heid van de inrichting.

Voor het geleiden van de door het lichaam uitgezonden straling 15 naar de eerste meetopnemer kan de inrichting uitgevoerd zijn met een lenzenstelsel. Beter is het dat het systeem voor ontvangst en geleiding van althans en in hoofdzaak het intermitterend deel van de straling een parabolische spiegel omvat. De verliezen in vermogen tussen het lichaam en de eerste meetopnemer zijn daardoor 20 kleiner hetgeen ten goede komt aan de signaal/ruis-verhouding en de meetgevoeligheid van de inrichting.

Bij voorkeur heeft de parabolische spiegel zodanige afmetingen dat deze geschikt is de straling in hoofdzaak te ontvangen. Toepassing van althans één parabolische spiegel heeft verder het voordeel 25 dat voldoende afstand tussen het lichaam en de inrichting mogelijk is, zodat gevaar voor schade aan de inrichting bij een bewegend lichaam wordt tegengegaan.

Het is gewenst dat in de baan van de straling voor de eerste meetopnemer een interferentiefilter is geplaatst. Dit vermindert de 30 invloed van storende straling door slechts straling door te laten met een golflengte gelijk aan de door de bron uitgezonden monochromatische straling.

Bij voorkeur is tevens in de baan van de straling voor de eerste meetopnemer een diffusor geplaatst. Dit heeft het voordeel 35 dat afbeeldingsfouten op de eerste meetopnemer ten gevolge van fouten in het systeem voor ontvangst en geleiding van straling of door een niet-optimale plaatsing van het stralend lichaam een geringe invloed op de meetnauwkeurigheid hebben.

In een voorkeursuitvoeringsvorm is althans één der meetop- 8701479

-C

- 5 - HO 655 NL

£ nemers een pyro-elektrische detector. Het voordeel daarvan is dat deze detector infrarode straling uit het midden-infrarood gebied (bijvoorbeeld 3,4^/um) kan detecteren zonder dat koeling is vereist.

Het is dan voordelig indien de golflengte van de straling van 5 de laser nagenoeg gelijk is aan de golflengte waarvoor de pyro-elektrische detector optimaal gevoelig is.

Er worden voorts nog uitsluitende rechten gevraagd voor gebruik van de inrichting in een inrichting voor het bepalen van de temperatuur op een plaats van een stralend lichaam.

10 Indien het lichaam een bewegende metalen band is, is het voor delig dat de inrichting geschikt is de temperatuur en de emissie-eoëfficiënt over de breedte van de band te bepalen.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de enige figuur.

15 Een bijna evenwijdige stralingsbundel uit de bron, een laser 1, wordt gericht op het lichaam 5. Daarbij passeert de bundel de chopper 2 en de lens 3. Door de chopper 2 wordt de bundel gemoduleerd met bijvoorbeeld 60 Hz. De bundel krijgt daardoor een blokvormig verloop. Door de lens 3 wordt de evenwijdige bundel gefocus-20 seerd op het lichaam 5. Een klein gedeelte van de straling wordt door de lens 3 gereflecteerd (ongeveer 3-4%) en valt op de tweede meetopnemer 4, bijvoorbeeld een pyro-elektrische detector. Het gemeten signaal wordt gebruikt als referentie: het is een maat voor de intensiteit van de naar lichaam 5 uitgezonden straling. Dit 25 referentiesignaal wordt verwerkt in een verwerkingsinrichting 12.

De straling die de lens 3 passeert, wordt gefocusseerd op het lichaam 5. Dit punt komt overeen met het brandpunt van de "off-axe" parabolische spiegel 6. Alle straling die door het brandpunt op deze spiegel valt wordt in een evenwijdige bundel gereflecteerd en 30 valt op de "off-axe" parabolische spiegel 7. Alle straling die in een evenwijdige bundel op deze spiegel 7 valt, wordt gereflecteerd en gefocusseerd op de eerste meetopnemer 10, bijvoorbeeld een pyro-elektrische detector. Spiegel 6 heeft een grote ruimtehoek gezien vanuit zijn brandpunt om zoveel mogelijk diffuse reflectie van 35 lichaam 5 op te vangen. Spiegel 7 heeft een kleinere ruimtehoek gezien vanuit zijn brandpunt om onafhankelijk van de zogenaamde hoekgevoeligheid van interferentiefilter 8 en eerste méetopnemer 10 te zijn. Het interferentiefilter 8 laat namelijk alleen straling door met een golflengte van bijvoorbeeld rond 3390 nm met een half- 8701479

Claims (21)

1. Werkwijze voor continue bepaling van een emissiecoëfficiënt van een ten hoogste gedeeltelijk diffuus reflecterend lichaam door 5 meting van uit de richting van het lichaam komende straling, met het kenmerk, dat het lichaam intermitterend aangestraald wordt en tenminste een vermogenswaarde van een intermitterende component van de straling bepaald wordt, waaruit een maat resulteert voor de emissiecoëfficiënt. 10

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met hét kenmerk, dat van de vermogenswaarde de maximale waarde wordt bepaald.

3. Werkwijze volgens conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat de 15 aanstraling verkregen worden met een bron voor monochromatische straling.

4. Werkwijze volgens ëên der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de intermitteringsfrequentie hoger dan circa 30 Hz en lager dan 20 circa 100 H2 wordt gekozen.

5. Werkwijze volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de vermogenswaarde van de aanstraling bepaald wordt waaruit in combinatie met de vermogenswaarde van de intermitterende compo- 25 nent van de straling, de emissiecoëfficiënt bepaald wordt.

5 Aangezien de parabolische spiegels 6 en 7 niet vrij van afbeeldingsfouten zijn, zal de straling bij eerste meetopnemer 10 een spot van enkele millimeters vormen en meer dan het eerste meet-opnemeroppervlak beslaan. Om de gevoeligheid voor de afbeeldingsfouten te verkleinen wordt een diffusor 9 gebruikt. Dit veroorzaakt 10 een grotere spot met een homogene intensiteitverdeling bij eerste meetopnemer 10. De eerste meetopnemer 10 is via de filterinrich-ting 11 met verwerkingsinrichting 12 verbonden. Met de filter-inrichting 11 vindt selectie plaats van de vermogensvariaties die met eerste meetopnemer 10 gemeten zijn, en die een frequentie 15 hebben die nagenoeg gelijk is aan de intermitteringsfrequentie van de straling afkomstig van bron 1. De reflectiefactor wordt in verwerkingsinrichting 12 bepaald uit de verhouding van de van de eerste meetopnemer 10 en tweede meetopnemer 4 afkomstige signalen. Uit deze reflectiefactor wordt vervolgens de emissiecoëfficiënt 20 afgeleid, welke de verwerkingsinrichting 12 extern beschikbaar stelt. 25 30 35 8701479 * *

6. Toepassing van de werkwijze volgens ëën der voorgaande conclusies, simultaan in een werkwijze voor het bepalen van de temperatuur op een plaats van een stralend lichaam. 30

6. HO 655 NL waarde breedte van 40nm. Als de hoek van inval voor dit interferen-tiefilter vergroot wordt, verschuift de piekgolflengte naar kortere golflengtes. Dit leidt tot transmissieverlies voor de lasergolf-lengte.

7. Toepassing volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het lichaam een bewegende metalen band is en het temperatuur-verloop over de breedte van de band wordt bepaald onder gelijktijdige bepaling en gebruikmaking van het verloop van de 35 emissiecoëfficiënt over de breedte van de band.

7. HO 655 NL

8. HO 655 NL β , « kenmerk, dat de inrichting een bron omvat voor intermitterende aanstraling van het lichaam, en een systeem voor ontvangst en geleiding van althans en in hoofdzaak een intermitterend deel van de uit de richting van het lichaam komende straling naar 5 een eerste meetopnemer die gekoppeld is met een filterinrich- ting voor bepaling van de vermogenswaarde van het intermitterende deel in de straling, welke filterinrichting met een verwerkingsinrichting is gekoppeld geschikt voor bepaling van de emissiecoëfficiënt uit althans de vermogenswaarde van het 10 intermitterende deel in de straling.

8. Inrichting voor continue bepaling van een emissiecoëfficiënt van een ten hoogste gedeeltelijk diffuus reflecterend lichaam volgens de werkwijze van ëën der conclusies 1-5, met het 8701479

9. HO 655 NL $ hoofdzaak het intermitterend deel van de straling een parabolische spiegel omvat.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de verwerkingsinrichting een piekwaardedetector omvat voor bepaling van de maximale vermogenswaarde. 15

10. Inrichting volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de filterinrichting althans voor lage frequenties een hoogdoor-laatfilterkarakteristiek heeft met een steilheid van 12 dB/octaaf en een kantelpunt gelijk aan de intermitterings- 20 frequentie.

11. Inrichting volgens één der conclusies 8-10, met het kenmerk, dat de bron een combinatie van een op zichzelf bekende laser en een op zichzelf bekende chopper omvat. 25

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de chopper op een frequentie hoger dan circa 30 Hz en lager dan circa 100 Hz is ingesteld.

13. Inrichting vólgens één der conclusies 8-12, met het kenmerk, dat in de baan van de aanstraling een lens is geplaatst die geschikt is een fractie van de aanstraling naar een tweede meetopnemer te richten ter verkrijging van een maat voor de vermogenswaarde van de aanstraling, welke tweede meetopnemer 35 gekoppeld is met de verwerkingsinrichting.

14. Inrichting volgens éën der conclusie 8-13, met het kenmerk, dat het systeem voor ontvangst en geleiding van althans en in 8701479 i

15 Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de para-5 bolische spiegel zodanige afmetingen heeft dat deze geschikt is de straling in hoofdzaak te ontvangen.

16. Inrichting volgens één der conclusies 8-14, met het kenmerk, dat in de baan van de straling voor de eerste meetopnemer een 10 interferentiefilter is geplaatst.

17. Inrichting volgens één der conclusies 8-16, met het kenmerk, dat in de baan van de straling voor de eerste meetopnemer een diffusor is geplaatst. 15

18. Inrichting volgens één der conclusies 8-17, met het kenmerk, dat althans één der meetopnemers een pyro-electrische detector is.

19. Inrichting volgens conclusies 11 en 18, met het kenmerk, dat de golflengte van de straling van de laser nagenoeg gelijk is aan de golflengte waarvoor de pyro-electrische detector optimaal gevoelig is.

20. Gebruik van de inrichting volgens één der conclusies 8-19, in een inrichting voor het bepalen van de temperatuur op een plaats van een stralend lichaam.

21. Gebruik volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat het stralend 30 lichaam een bewegende metalen band is en de inrichting geschikt is de temperatuur en de emissiecoëfficiënt over de breedte van de band te bepalen. 35 87öl/|79