DE3806173A1

DE3806173A1 - Pyrometrische messvorrichtung

Info

Publication number: DE3806173A1
Application number: DE3806173A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Struss
Original assignee: Heimann GmbH
Current assignee: STRUSS, ORTWIN, 65203 WIESBADEN, DE
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1989-09-07

Description

Ein Körper, dessen Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunk tes von -273°C liegt, sendet eine elektromagnetische Strahlung aus. Die Intensitätsverteilung dieser Strahlung über die Wel lenlänge ist durch die Strahlungsgesetze von Planck beschrie ben. Die insgesamt ausgestralte Energie ist auch von den Ma terialeigenschaften des aussendenden Materials und von dessen Oberfläche abhängig. Beide Parameter zusammen ergeben den Emis sionsgrad, der definitionsgemäß kleiner als "1" ist. Die aus gesendete Energie ist somit um einen bestimmten Faktor kleiner als die eines Planck'schen Strahlers. Mit Hilfe eines Meßgerä tes, welches in der Lage ist, diese elektromagnetische Strah lung zu empfangen, kann somit unter Berücksichtigung der Strah lungsgesetze und des Emissionsgrades aus der gemessenen Strah lungsleistung die Temperatur bestimmt werden. Ist ein Material stark reflektierend, d. h. der Emissionsgrad gering, so ist ein großer Teil der von dem Meßgerät empfangenen Strahlung Strah lung, die über Reflexion an der Meßobjektoberfläche von der Um gebung eingespiegelt wird. In diesem Falle ist es sehr schwie rig, aufgrund der empfangenen Strahlung die Objekttemperatur zu bestimmen.

Um dieses Problem zu lösen, wird versucht mit Verfahren, in denen bei zwei oder mehreren Wellenlängen gemessen wird, den Einfluß des Emissionsgrades zu eliminieren. Es gibt auch Ver fahren, bei denen alternierend ein Lichtstrahl auf die Ober fläche des Meßobjektes projiziert wird, um den Strahlungsan teil, den dieser Lichtstrahl erzeugt, zur Emissionsgradbestim mung zu benutzen. Es gibt weitere Verfahren, die ebenfalls mit mehreren Wellenlängen messen, die durch iterative Bestimmung das Wien'sche Maximum in der Verteilung suchen, und hierüber die Temperatur zu bestimmen suchen. Alle bisherigen Verfahren sind fehlerbehaftet, weil der Emissionsgrad von realen Objek ten, die stark spiegeln - die sind vor allen Dingen Metalle -, über die Wellenlänge und die Temperatur nicht konstant ist. Der Emissionsgrad ist außerdem stark abhängig von der Obrflächen beschaffenheit. Ein sehr glattes Material, welches einen sehr niedrigen Emissionsgrad hat, hat gleichzeitig eine stark ge richtete Reflexion. Ein Material mit einer angerauhten Ober fläche hat einen höheren Emissionsgrad und weist gleichzeitig eine sehr diffuse Reflexion auf. Mit Mehrwellenlängenverfahren kann eine recht gute Näherung bei einer stark streuenden Ober fläche gefunden werden, mit einem alternierenden Lampenein blendverfahren eine recht gute Näherung bei stark gerichtet reflektierender Reflexion gefunden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pyrometrische Meßvorrichtung zu schaffen, die sowohl bei glatten als auch bei rauhen Materialoberflächen gute Meßergebnisse liefert.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch zwei pyrometri sche Meßgeräte, die auf eine gemeinsame Meßstelle derart ausge richtet sind, daß durch sie zwei unterschiedliche Strahlungen erfaßt werden, wobei für die Bestimmung der Temperatur der Meß stelle eine Rechenvorrichtung vorhanden ist, die diese Tempera tur aus der Strahlungsleistung nach folgender Formel bestimmt:

Φ _m = die dem Meßgerät zugeführte Strahlungsleistung
Φ ₀ = Strahlungsleistung, die ein schwarzer Körper der Temperatur T ₀ abgeben würde
Φ _u = Strahlungsleistung der Umgebung,
wobei die Indizes 1 und 2 für zwei Messungen mit unterschied lichen Strahlungsleistungen durch die beiden Meßgeräte gelten.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung löst die ihr zugrundelie gende Aufgabe dadurch, daß die Meßobjekttemperatur mit defi nierten Umgebungsverhältnissen gemessen wird. Die allgemeine pyrometrische Formel, welche besagt, daß

Φ _m = ε ₀, Φ ₀ + (1 - ε ₀) · Φ _u

ist, berücksichtigt auch den über die Reflexion mitgesehenen Anteil der Umgebung. Hierin sind Φ _m die dem Meßgerät zugeführte Strahlungsleistung, ε ₀ der Emissionsgrad des Meßobjektes, Φ ₀ die Strahlungsleistung, die ein schwarzer Körper der Temperatur T ₀ abgeben würde, 1 - ε ₀ = der reflektierte Anteil und Φ _u = die Strahlungsleistung der Umgebung. Für zwei unterschiedliche Um gebungsstrahlungen oder zwei unterschiedliche Objekttempera turen erhält man zwei Gleichungssysteme, die dann lösbar sind, wenn entweder die beiden unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen oder die beiden unterschiedlichen Objekttemperaturen bestimmt werden. Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist vorzugs weise die Methode der unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen benutzt. Durch Auflösung der beiden Gleichungen erhält man so wohl den Emissionsgrad des Objektes als auch seine Temperatur. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es für jede denkbare Wellenlänge anwendbar ist und daß das Verfahren für einen sehr großen Temperaturbereich, vor allem aber im Raum temperatur- bzw. Umgebungstemperaturbereich anwendbar ist. Durch eine solche Meßvorrichtung werden die unterschiedlichen Umgebungsstrahlungen vorzugsweise auch strahlungstechnisch ge messen, um so den Eigenemissionsanteil der Umgebung zu eliminieren.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strahlungseigenschaften des Meßobjektes bezüglich der Reflexionsstreuung durch eine entsprechende Anordnung automa tisch berücksichtigt werden, daß Emissionsgradschwankungen wäh rend der Messung sofort auskorrigiert werden und daß die Mes sung unabhängig von der absoluten Temperatur der Umgebungs strahlungen ist. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, daß eine dieser Umgebungsstrahlungen gleich der Objekt temperatur ist. Aus dem formelmäßigen Zusammenhang ergibt sich, daß die beiden Umgebungsstrahlungen unterschiedlich sein, je doch keine festen Werte annehmen müssen. Die Temperatur der Um gebungsstrahlungen kann somit während des Meßvorganges beliebig variieren.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung ist mit 1 das Meßobjekt bezeichnet, dessen Temperatur an der Meßstelle 2 bestimmt werden soll. Zwei Strah lungsthermometer 3, 4 sind auf die Meßstelle 2 ausgerichtet. Ihre Signale werden durch eine Auswertungsvorrichtung 5 ver arbeitet, die die Temperatur der Meßstelle 2 bestimmt und auf einer Anzeigevorrichtung 6 zur Anzeige bringt.

Die Meßgeräte 3, 4 erfassen auch die Umgebungsstrahlung aus den Bereichen 7, 8.

Die Temperatur wird aus der gemessenen Strahlungsleistung Φ ₀ nach folgenden formelmäßigen Zusammenhängen bestimmt:

Φ _m = ε ₀ · Φ ₀ + ρ ₀ · Φ _u.

ρ ₀ = Reflexionsgrad des Meßobjektes.

Claims

Pyrometrische Meßvorrichtung, gekennzeichnet durch zwei pyrometrische Meßgeräte (3, 4), die auf eine gemeinsame Meßstelle (2) derart ausgerichtet sind, daß durch sie zwei unterschiedliche Umgebungsstrahlungen erfaßt werden, wobei für die Bestimmung der Temperatur der Meßstelle eine Rechenvorrichtung (5) vorhanden ist, die diese Temperatur aus der Strahlungsleistung nach folgender Formel bestimmt: Φ _m = die dem Meßgerät zugeführte Strahlungsleistung
Φ ₀ = Strahlungsleistung, die ein schwarzer Körper der Temperatur T ₀ abgeben würde
Φ _u = Strahlungsleistung der Umgebung,
wobei die Indizes 1 und 2 für zwei Messungen mit unterschied lichen Strahlungsleistungen durch die beiden Meßgeräte (3, 4) gelten.