DE2153077A1

DE2153077A1 - METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF SURFACE TEMPERATURE ON AN OBJECT

Info

Publication number: DE2153077A1
Application number: DE2153077A
Authority: DE
Inventors: Peter Herzig; Alois Dr Marek
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1971-10-11
Filing date: 1971-10-25
Publication date: 1973-04-19
Also published as: CH537009A

Description

Verfahren zur berührungslosen Mesaung der OberflAchentemperatur an einem Objekt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperature an einem Objekt.Method for contactless measurement of the surface temperature an object The invention relates to a method for contactless measurement of the Surface temperature on an object.

sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.and a device for performing this method.

Zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur sind bereits verschiedene Pyrometerkonstruktionen bekannt. So sind sogenannte Gesamtstrahlungspyrometer bekannt, welche die gesamte einfallende Strahlungsleistung messen und dadurch die Temperatur des Objektes festzustellen erlauben. Ferner sind sogenannte Teilstrahlungspyrometer bekannt, bei denen mit Hilfe von Filtern bestimmte Strahlungsbanden ausgesiebt werden.For non-contact measurement of the surface temperature are already various pyrometer designs known. So are so-called total radiation pyrometers known, which measure the total incident radiation power and thereby the Allow the temperature of the object to be determined. There are also so-called partial radiation pyrometers known, in which certain radiation bands are screened out with the help of filters.

Schliesslich sind Zweifarbenpyrometer bekannt, bei denen das Verhältnis der Strahlungsleistungen in zwei diskreten Strahlungsbanden als Mass für die Objekttemperatur dient. Alle diese Pyrometer sind jedoch materialabhängig, das heisst, sie müssen auf ein bestimmtes Material geeicht werden. Bei Messungen an anderen Materialien muss jedesmal die Eichung wiederholt werden. Wird dies unterlassen, ergeben'sich mehr oder weniger starke Fehlmessungen. Weiter ist zur Unterdrückung von Einflüssen des Emissionsfaktors die Verwendung eines Hohlraumspiegels bekannt. Ein Hohlraumspiegel ist im speziellen Fall ein vergoldeter Halbkugelspiegel, der eine beinahe Schwarze Strahlung (Hohlraumstrahlung) erzeugt. Da die Wirkungsweise eines solchen Spiegels aber rein passiv istt wird mit ihm nur eine Verkleinerung des Einflusses von Emissionsfaktoränderungen erreicht, nicht jedoch die Beseitigung dieses Einflusses.Finally, two-color pyrometers are known in which the ratio the radiation powers in two discrete radiation bands as Measure for the object temperature. However, all these pyrometers are material-dependent, this means that they have to be calibrated for a specific material. When taking measurements The calibration must be repeated each time on other materials. If this is not done, more or less severe incorrect measurements result. Next is oppression the use of a cavity mirror is known from influences of the emission factor. A cavity mirror is in the special case a gold-plated hemispherical mirror, the almost black radiation (cavity radiation). Because the mode of action such a mirror, however, is purely passive, with it only a reduction in size of the influence of emission factor changes is achieved, but not the elimination this influence.

Ferner ist ein Verfahren zur Temperaturmessung mit Hilfe von reflektiertem Laserlicht bekannt. In einem evakuierten Kugelgefäss wird eine zu messende Materialprobe mit Laserlicht bestrahlt. Von einem Detektor wird ein kleiner Teil der Kugelwandung erfasst. Der Laser-Strahl wird von einem beweglichen Spiegel zerhackt und abwechselnd auf die erhitzte Probe und auf die Xugelwandungfgerichtet. Durch Auswertung der entsprechenden Detektordaten ergibt sich der Reflexionsfaktor der betreffenden Probe. Der Nachteil dieses Messverfahrens besteht darin, dass nur kleinere Proben gemessen werden können, welche sich in einem evakuierten Kugelgefäss unterbringen lassen.Furthermore, a method for temperature measurement with the help of reflected Known laser light. A material sample to be measured is placed in an evacuated spherical vessel irradiated with laser light. A detector detects a small part of the wall of the sphere recorded. The laser beam is chopped and alternated by a moving mirror directed at the heated sample and at the Xugelwandungf. By evaluating the appropriate The reflection factor of the detector data results sample concerned. The disadvantage of this measurement method is that only smaller Samples can be measured, which are accommodated in an evacuated spherical vessel permit.

In Betrieb befindliche Maschinenteile lassen sich auf diese Weise nicht messen.Machine parts in operation can be removed in this way do not measure.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, èin Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur an einem Objekt zu beschreiben, welches vollkommen materialunabhängig arbeitet und welches sich auch zur Messung an grossen Maschinenteilen eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass unter einem Raumwinkel, der kleiner ist als 2 abwechselnd ein Signal N0, welches die vom Objekt emittierte Strahlung enthält, und ein Signal Nr beobachtet wird, welches die Summe aus der vom Objekt emittierten Strahlung und der von mindestens einer Referenzstrahlungsquelle auf das Objekt geleiteten und von diesem reflektierten Strahlung enthält, und dass daraus die Temperatur des Objektes berechnet wird, wobei C eine Gerätekonstante und K (t) eine zeitabhängige Gerätefupktion bedeuten.It is the object of the present invention to describe a method for the contactless measurement of the surface temperature on an object, which works completely independently of the material and which is also suitable for measuring large machine parts. According to the invention, this object is achieved by observing a signal N0, which contains the radiation emitted by the object, and a signal Nr, which is the sum of the radiation emitted by the object and that of at least a reference radiation source directed onto the object and reflected radiation, and that the temperature therefrom of the object is calculated, where C is a device constant and K (t) is a time-dependent device function.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Bestrahlung des Objektes mit einer zeitvariablen Strahlungsintensität vorgesehen ist, dass im Strahlengang der durch das Objekt gebündelt reflektierten Strahlung ein Detektor angeordnet ist, dass dem Detektor eine aus Verknüpfungsschaltungen bestehende Anordnung zur Verarbeitung der abgetasteten Signale nachgeschaltet ist und dass eine Synchronisiereinrichtung zur Synchronisierung des Detektors und/oder der Verknüpfungsschaltungen mit der Vorrichtung zur Bestrahlung des Objektes vorgesehen ist.The device for carrying out this method is according to the invention characterized in that a Device for irradiating the Object with a time-varying radiation intensity is provided that in the beam path a detector is arranged for the bundled radiation reflected by the object, that the detector is an arrangement consisting of logic circuits for processing the sampled signals is connected downstream and that a synchronizing device to synchronize the detector and / or the logic circuits with the Device for irradiating the object is provided.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 die Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 ein in Form eines Blockschaltbildes dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Auswertung der abgetasteten Signale, Fig. 4 die Darstellung der am Eingang des Detektors 1 gemäss Fig. 3 auftretenden zeitabhängigen Signale und Fig, 5 die Prinzipskizze eines weiteren Ausfffhrungsbeispiels.In the following, embodiments of the invention are based on the Drawings explained in more detail. The figures show: FIG. 1 the schematic diagram of a first exemplary embodiment, FIG. 2 shows the schematic diagram of a second exemplary embodiment, FIG. 3 shows the form a first embodiment of the device shown in a block diagram for evaluating the scanned signals, 4 shows the representation the time-dependent signals occurring at the input of the detector 1 according to FIG. 3 and FIG. 5 shows the schematic diagram of a further exemplary embodiment.

Das Prinzip des im folgenden beschriebenen Verfahrens beruht darauf, dass das Objekt 0 gemäs-s Fig. 1 von einer Strahlungsquelle SQ bestrahlt wird und dass von einem Detektor D in einem dem Zeitmuliplex ähnlichen Messverfahren einerseits ein die Reflexionsstrahlungsleistung enthaltender Wert und andererseits ein die Objektstrahlungsleistung enthaltender Wert gemessen werden. Auf diese Weise wird der Emissionsfaktor des Objektes aus dem Messergebnis elimlniert, so dass sich Schwankungen desselben nicht auf das Messergebnis auswirken.The principle of the procedure described below is based on that the object 0 according to FIG. 1 is irradiated by a radiation source SQ and that of a detector D in a measuring method similar to the time division multiplex on the one hand a value containing the reflected radiation power and, on the other hand, a die Object radiation power containing value can be measured. That way will the emission factor of the object is eliminated from the measurement result, so that fluctuations does not affect the measurement result.

Für dieses Verfahren wird vorausgesetzt, dass sich das von der Strahlungsquelle SQ bestrahlte Objekt nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindet; dies im Gegensatz zu bekannten Messmethoden, bei denen der Zustand des thermodynamischen Gleichgewichtes simuliert wird. Ferner wird darauf verzichtet, die farbige Temperaturstrahlung des Objektes künstlich zur Strahlung des Schwarzen Körpers zu ergänzen, wie dies bei bEkinnteff Strahlungspyrometern mit Kompensation der Emissivität geschieht. Es ist nur vorausgesetzt, dass sich die optischen Eigenschaften des Messobjektes durch die zusätzliche Bestrahlung und die Beobachtung, mindestens im beobachteten Wellenbereich gegenüber den Eiaenschaften bei thermodynamischem Gleichgewicht nicht andern. Es darf also durch die Beobachtung zu keinen wesentlichen Veränderungen der Oberflächentemperatur oder zu Lumineszenz oder anderen nicht linearen optischen Erscheinungen kommen.This procedure assumes that the radiation source is different SQ irradiated object is not in thermodynamic equilibrium; this in In contrast to known measurement methods, in which the state of the thermodynamic Equilibrium is simulated. Furthermore, the colored thermal radiation is dispensed with of the object artificially supplementing blackbody radiation like this for bEkinnteff radiation pyrometers with compensation of emissivity happens. It is only assumed that the optical properties of the measurement object by the additional irradiation and the observation, at least in the observed Wave range compared to the egg properties in thermodynamic equilibrium is not change. There must therefore be no significant changes as a result of observation the surface temperature or to luminescence or other non-linear optical Appearances are coming.

Aus der klassischen allgemeinen Strahlungslehre ist bekannt, dass im Vakuum die Strahlungsleistung So eines Strahls, welcher auf einen Körper bei einer beliebigen Frequenz und unter einem beliebigen Einfallswinkel von aussen einfällt, in eine reflektierte Strahlungsleistung Ro*So und eine absorbierte Strahlungsleistung A0 . S0 aufgeteilt werden kann, wenn das System in sich abgeschlossen ist und die oben erwähnten Bedingungen erfüllt. In einem solchen System gilt die Beziehung: (1? Ro + Ao t 1 Wenn f(T) die Abhängigkeit der Temperatur T gemäss dem Planck'schen Strahlungsgesetz bedeutet und C eine Konstante, in welche die geometrischen Abmessungen und die optischen Eigenschaften der verwendeten Baue'-leinente eingehen, erscheint am Ausgang des Detektors D der folgende, die Sttahlungsleistung des Objektes enthaltende Messsignalanteil: (2) N0 = C . E0 . f (T0) worin Eo den zunächst unbekannten Emissionsfaktor des Objektes und To die Objekttemperatur bedeuten.From the classical general radiation theory it is known that in a vacuum the radiant power of a ray that hits a body at any frequency and at any angle of incidence from outside, into a reflected radiant power Ro * So and an absorbed radiant power A0. S0 can be divided if the system is self-contained and the conditions mentioned above are met. In such a system the relationship applies: (1? Ro + Ao t 1 If f (T) is the dependence of the temperature T according to Planck's Radiation law means and C is a constant in which the geometric dimensions and the optical properties of the structural elements used appear at the output of the detector D the following, the radiation output of the object containing Measurement signal component: (2) N0 = C. E0. f (T0) where Eo is the initially unknown emission factor of the object and To mean the object temperature.

Der zusätzliche, durch die Referenzstrahlung eingeführte Messignalanteil ist: (3) Nr (t) = K (t).R0 worin K (t) eine experimentell bestimmbare, der Messanordnung eigene Zeitfunktion bedeutet, in welcher auch die optischen Eigenschaften des Systems eingehen.The additional measurement signal component introduced by the reference radiation is: (3) Nr (t) = K (t) .R0 where K (t) is an experimentally determinable, the measuring arrangement own time function means in which also the optical properties of the system enter.

Da nach Voraussetzung die Materialeigenschaften des Objektes durch die Zusatzbestrahlung unverändert bleiben sollen, gilt für die Oberfläche des Objektes näherungsweise die thermodynamische Gleichgewichtsbedingung: (4) A0 # E0 Aus (2) folgt N0 (5) f (T0) = C . E0 Durch Einsetzen von (4) in (1) ergibt sicht (6) E0 = 1- R0 und unter Berücksichtigung von (3) Nr (t) (7) E0 = 1-K (t) Durch Einsetzen von (7) in (5) ergibt sicht und durch Einführen der Umkehrfunktion f* zur Planck'schen Funktion f (T)s Daraus ergibt sich, dass die absolute Temperatur T0 des Objektes gemessen werden kann, wenn N0, Nr (t) die Geräte-Konstante C und die Gerätefunktion K (t) bekannt sind. Diese Grössen lassen sich beispielsweise durch zwei Messungen bestimmen, von denen die eine am Schwarzen Körper und die andere mit Hilfe eines Spiegels erfolgen, wie nachfolgend noch beschrieben wird.Since, according to the prerequisite, the material properties of the object should remain unchanged by the additional irradiation, the thermodynamic equilibrium condition applies approximately to the surface of the object: (4) A0 # E0 From (2) follows N0 (5) f (T0) = C. E0 By inserting (4) in (1) results in view (6) E0 = 1- R0 and taking into account (3) Nr (t) (7) E0 = 1-K (t) By inserting (7) in (5) results in view and by introducing the inverse function f * to Planck's function f (T) s This means that the absolute temperature T0 of the object can be measured if N0, Nr (t), the device constant C and the device function K (t) are known. These variables can be determined, for example, by two measurements, one of which is carried out on the black body and the other with the aid of a mirror, as will be described below.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur an dem Objekt O enthält ausser der Strahlungsquelle SQ und dem Detektor D eine rotierende Blende B, welche in der Art eines sogenannten Choppers betrieben wird. Dabei wird die von der Strahlungsquelle SQ abgegebene definierte Strahlung und synchron die vom Objekt auf den Detektor D fallende Strahlung von der rotierenden Blende zerhackt. Die Blende ist dabei so ausgelegt, dass vom Detektoreingang abwechselnd überhaupt keine Objektstrahlung empfangen wird (Detektorblende geschlossen), dass nur Objektstrahlung empfangen wird (Detektorblende offen, Blende für die Strahlungsquelle geschlossen) oder dass Objektstrahlung und reflektiert Strahlung gemeinsam empfangen werden. Vom Detektor werden also abwechselnd das von der Blende emittierte Schwarze Strahlungssignal, das vom Objekt emittierte emissionsfaktorabhängige Strahlungssignal No und die Summe aus No und der vom Objekt reflektierten Referenz-Strahlungssignale Nr abgetastet. Die Detektorblende dient dabei als Referenz für die nachfolgende Verarbeitung des abgetasteten Signals, wobei die Vorrichtung im Prinzip einem Chopper entspricht.The arrangement shown in Fig. 1 for the non-contact measurement of the In addition to the radiation source, the surface temperature on the object O includes SQ and the detector D a rotating diaphragm B, which is in the manner of a so-called chopper is operated. The output from the radiation source SQ is defined radiation and synchronously the radiation falling from the object onto the detector D from the rotating one Aperture hacked. The diaphragm is designed so that the detector input alternates no object radiation at all is received (detector shutter closed) that only object radiation is received (detector shutter open, shutter for the radiation source closed) or that object radiation and reflected radiation receive together will. The black emitted by the diaphragm is alternately emitted by the detector Radiation signal, the emission-factor-dependent radiation signal emitted by the object No and the sum of No and the reference radiation signals reflected from the object No sampled. The detector diaphragm serves as a reference for the following Processing of the sampled signal, the device being in principle a chopper is equivalent to.

Die Raumanordnung der Strahlungsquelle SQ, von der auch mehrere vorgesehen sein können, bezüglich des Objektes O und des Detektors Dlmuss gewisse Bedingungen erfüllen.The spatial arrangement of the radiation source SQ, of which several are also provided may be, with respect to the object O and the detector Dlmust certain conditions fulfill.

Ferner muss der auf das Objekt fallende Strahl mindestens die vom Detektor beobachtete Fläche beleuchten. Die Bestrahlung der Obje'ktoberfläche muss so vorgenommen werden, dass die reflektierte, in den Detektor einfallende Strahlungsleistung in gewissen Grenzen repräsentativ ist für das Reflexions- oder Streudiagramm, welches durch die oben angegebene Beziehung mit dem Emissionsdiagramm verknüpft ist.Furthermore, the beam falling on the object must be at least that of the Illuminate the area observed by the detector. The irradiation of the object surface must be made so that the reflected, in the Incident detector Radiated power is representative for the reflection or within certain limits Scatter diagram, which is represented by the relationship given above with the emission diagram is linked.

Dieses Streudiagramm ist von der Stellung des beobachteten Objektelementes gegenüber dem Detektor abhängig. Die genannte Forderung muss für alle in Betracht kommenden Objektstellungen unter Berücksichtigung der eingangs erwähnten Gesichtspunkte erfüllt sein. Sie lässt sich beispielsweise durch bekannte Verfahren der mathematischen Optimierung lösen.This scatter plot is from the position of the observed object element relative to the detector. The aforementioned requirement must be taken into account for everyone upcoming object positions taking into account the aspects mentioned at the beginning be fulfilled. You can for example by known methods of mathematical Solve optimization.

Anstelle einer beweglichen Blende lässt sich auch eine Vorrichtung mit einem vollständig oder teilweise reflektierenden Spiegel verwenden. Gemäss einem derartigen in Fig. 2 skizzierten zweiten Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen bilveive durchlässigen Spiegel S vorzusehen und die Zeitmodulation des das Objekt belichtenden Strahls durch elektrische Mittel, beispielsweise mit einer Lmineszenzdiode oder einer Kerr-Zelle vorzunehmen. Die von der Strahlungsquelle SQ kommende Strahlung wird von dem teildurchlässigen Spiegel S umgelenkt und über ein optisches System L dem Objekt 0 zugeführt. Die vom Objekt reflektierte Strahlung durchläuft zusammen mit der vom Objekt emittierten Strahlung erneut das optische System L, durchsetzt den Spiegel S und erreicht den Detektor D. Für die Auslegung des Bestrahlungssystems gelten die gleichen Forderungen, wie sie in Bezug auf die rotierende Blende B gemäss Fig. 1 oben aufgestellt worden sind. Für farbige, aber beinahe spiegelartig reflektierende normal beobachtete Ebenen ist diese Anordnung von grossem Vorteil, da sich durch einfache Anordnung eine relativ grosse Apertur erreichen lässt.Instead of a movable screen, a device can also be used use with a fully or partially reflective mirror. According to one Such outlined in Fig. 2 second embodiment, it is possible to use a bilveive transmissive mirror S and the time modulation of the object exposing beam by electrical means, for example with a lminescent diode or a Kerr cell. The radiation coming from the radiation source SQ is deflected by the partially transparent mirror S and via an optical system L fed to object 0. The radiation reflected from the object passes through together with that of the object emitted radiation again the optical system L, passes through the mirror S and reaches the detector D. For the design of the irradiation system The same requirements apply as in relation to the rotating diaphragm B according to Fig. 1 have been set up above. For colored, but almost mirror-like reflective Normally observed planes, this arrangement is of great advantage, as it is through simple arrangement can achieve a relatively large aperture.

In Fig. 3 ist anhand eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Auswertung der vom Detektor D gemäss den Fig. 1 und 2 empfangenen Signale angegeben. Das vom Detektor 1, gemäss Fig. 3, aufgenommene Signal wird als Ausgangssignal a einem Verstärker 2 zugeführt. Bei Anwendung einer Chopperblende nach Fig. 1 hat das Signal. a die in Fig. 4 dargestellte Form. Das von dem Chopper verursachte Impulssignal enthält abwechslungsweise das thermische Objektstrahlungssignal No und die Summe aus No und dem reflektierten zusätzlichen Strahlungssignal Wr.In Fig. 3 is an embodiment based on a block diagram for a device for evaluating the received from the detector D according to FIGS Signals indicated. The signal recorded by the detector 1 according to FIG. 3 is called Output signal a is fed to an amplifier 2. When using a chopper screen according to Fig. 1 has the signal. a the shape shown in FIG. The one from the chopper The generated pulse signal alternately contains the thermal object radiation signal No and the sum of No and the reflected additional radiation signal Wr.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 2 wird gemäss Fig.The output signal of the amplifier 2 is shown in FIG.

3 einem Demodulator 3 zugeführt, welcher über einen Taktgenerator 4 mit dem Chopper, beispielsweise mit der rotierenden Blende B gemäss Fig. 1 oder mit einem entsprechenden Modulator synchronisiert ist.3 fed to a demodulator 3, which via a clock generator 4 with the chopper, for example with the rotating screen B according to FIG. 1 or is synchronized with a corresponding modulator.

Die Aufgabe des Demodulators 3 besteht darin, die beiden Eingangssignale No + Nr Nr(t) und No voneinander zu trennen. Dies kann beispielsweise durch ein vom Taktsignal gesteuertes Umschalten des Eingangssignals auf die beiden Ausgänge des Demodulators 3 und durch kurzzeitiges Speichern eines Eingangssignals erfolgen.The task of the demodulator 3 is the two input signals No + Nr Nr (t) and No to be separated from each other. This can be done, for example, by a Switching of the input signal to the two outputs controlled by the clock signal of the demodulator 3 and by briefly storing an input signal.

Durch das kurzzeitige Speichern werden die Signale zur zeitlichen Ueberdeckung gebracht. Damit verschwindet die Zeitabhängigkeit des Signals Nr (t).Due to the short-term storage, the signals become temporal Brought coverage. The time dependency of the signal Nr (t) thus disappears.

Die beiden Ausgänge des Demodulators 3 sind einem Differenzverstärker 5 zugeführt, an dessen Ausgang die Differenz der Eingangssignale, nämlich das Signal Nrs auftritt. Dieses Signal wird über einen Spannungsteiler 7, welcher als konstanter Divisor mit einstellbarer Gerätekonstante 1/K arbitet, einem Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 8 zugeführt. Der zweite Eingang dieses Differenzverstärkers 8 ist mit einem eine Referenzspannung liefernden einstellbaren Spanungsteiler 6 verbunden, welcher einen der Gröse "1" aus Formel (9) entsprechenden Wert liefert. Als Konstantspannungsquelle ist eine Batterie 10 angedeutet. Das Ausgangssignal des zweiten Differenzverstärkers 8 enthält bereits den Nenner der oben angegebenen Formel (9). Einem nachgeschalteten Multiplikations- und Divisions-Modul 9 wird ausser diesem Signal das an dem entsprechenden Ausgang des Demodulators 3 abgegriffene Signal No als Zähler zugeführt und mit einer aus einem Speicher 11 ausgelesenen Instrumentenkonstanten C multipliziert. Das Ausgangssignal des Divisions-Moduls 9 ist das gewünschte, vom Emissionsfaktor befreite Signal, welches man erhalten würde, wenn das Objekt ein ohlraumstrahler wäre. Dieses Signal kann beispielsweise entsprechend dem Planck'schen Strahlungsgesetz weiterverarbeitet werden. Nach Einstellung eines Skalenfaktors kann dieses Signal einem Anzeigegerät, beispielsweise einem Digital-Display, zugeführt werden. Auf diesem Gerät kann die Temperatur direkt in Kelvin-Grad oder nach einer Nullpunktverschiebung in Celsius-Grad abgelesen werden. Selbstverständlich kann dieses Signal auch für andere Zwecke weiterverarbeitet werden.The two outputs of the demodulator 3 are a differential amplifier 5 supplied, at the output of which the difference between the input signals, namely the signal Nrs occurs. This signal is via a voltage divider 7, which as a constant Divisor with adjustable device constant 1 / K arbitet, one input of another Differential amplifier 8 supplied. The second input of this differential amplifier 8 is provided with an adjustable voltage divider 6 which supplies a reference voltage connected, which delivers a value corresponding to the quantity "1" from formula (9). A battery 10 is indicated as a constant voltage source. The output signal of the second differential amplifier 8 already contains the denominator of the above Formula (9). A downstream multiplication and division module 9 is also used this signal tapped at the corresponding output of the demodulator 3 Signal No supplied as a counter and with one of one Storage 11 instrument constants C read out are multiplied. The output signal of the division module 9 is the desired emissivity-free signal that is obtained would if the object were a cavity radiator. This signal can for example are further processed in accordance with Planck's law of radiation. After hiring a scale factor, this signal can be sent to a display device, for example a Digital display. On this device, the temperature can be set directly in Kelvin degrees or after a zero point shift in degrees Celsius. Of course, this signal can also be processed for other purposes.

Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion dieser Anordnung ist selbstverständlich ein. linear arbeitender und genügend schneller Detektor. Als Strahlungsquelle SQ lässt sich beispielsweise eine beliebige im optischen Messbereich arbeitende Strahlungsquelle verwenden, insbesondere auch eine Laserdiode, wenn das Objekt in einem relativ-eZen optischen Bereich intensiv bestrahlt werden soll. Die spektrale Empfindlichkeit des Detektors lässt sich durch geeignete Filter begrenzen.This is a prerequisite for proper functioning of this arrangement of course one. linear working and sufficiently fast detector. as Radiation source SQ can, for example, be any one in the optical measuring range Use a working radiation source, especially a laser diode, if that Object should be intensively irradiated in a relatively-eZen optical area. the The spectral sensitivity of the detector can be limited by using suitable filters.

Die in der oben angegebenen Formel (9) enthalten-en Konstanten C und K,welche von der geometrischen Konfiguration der Anordnung und von der Stärke der Referenzstrahlen abhängen, können auf verschiedene Arten eingestellt werden. Beispielsweise lassen sich zwei unabhängige Messungen durchführen, von denen eine einen Schwarzen Körper (R = O) als Objekt benutzt und die zweite einen Spiegel (R - 1). Im ersten Fall ergibt sich aus (3) und (8), wenn die Temperatur T0 des Schwarzen Körpers bekannt ist, Nr (t) - O , d.h.Those contained in the above formula (9) Constants C and K, which depend on the geometrical configuration of the arrangement and on the strength of the reference beams can be adjusted in different ways. For example, two independent measurements can be carried out, one of which one black body (R = O) used as an object and the second a mirror (R - 1). In the first case results from (3) and (8) if the temperature T0 of the black Body is known, Nr (t) - O, i.e.

N C = f (T0) und C = f Darin wird No gemessen, während sich f (T0) rechnerisch bestimmen lässt.N C = f (T0) and C = f In this No is measured, while f (T0) can be determined mathematically.

Für den Spiegel folgt aus (3) : K (t) = Nr . 1, worin Nr durch Messung bekannt ist.For the mirror it follows from (3): K (t) = No. 1, where Nr by measurement is known.

Ferner ist es möglich, ein rotierendes Objekt von gleichmässiger Temperatur, aber unterschiedlichem Emissionsfaktor zu verwenden. In diesem Fall kann auf das Schwankungsmininum der Detektionsanzeige eingeregelt werden, welches in der Regel Null ergeben soll.It is also possible to detect a rotating object of uniform temperature, but to use different emission factors. In this case Fluctuation minimum of the detection display can be regulated, which is usually Should result in zero.

Schliesslich ist es möglich, die Objekttemperatur von zwei verschiedenen Objekten auf konventionelle Weise zu messen, den Emissionsfaktoren der Objekte keine Beachtung zu schenken und die der gemessenen Temperatur entsprechende Hohlraumstrahlungstemperatur in der Detektionsanzeige durch Wahl von C und K (t) einzustellen.Finally, it is possible to set the object temperature from two different To measure objects in the conventional way, the emission factors of the objects are not Pay attention and that of the measured Temperature appropriate Cavity radiation temperature in the detection display by selecting C and K (t) to adjust.

Grundsätzlich ist der absolute Betrag der Referenzstrahlungsleistung für die Funktion der Anordnung unerheblich, solange durch das begrenzte Auflösungsvermögen der verwendeten Elemente bei der Auswertung der Signale keine zu grossen Fehler entstehen.Basically, it is the absolute amount of the reference radiant power insignificant for the function of the arrangement, as long as the limited resolution of the elements used when evaluating the signals, no errors that are too large develop.

Für die meisten Anwendungsfälle wird es zweckmässig und vorteilhaft sein, in einem engen Spektralbereich zu arbeiten. In diesem Fall lassen sich besonders vorteilhaft Laserdioden als Strahlungsquellen SQ in Zusammenhang mit schmalbandigen Detektor anordnungen verwenden.For most applications it will be expedient and advantageous be able to work in a narrow spectral range. In this case you can especially advantageous laser diodes as radiation sources SQ in connection with narrow-band Use detector arrangements.

In Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es auch möglich, auf eine rotierende Blende zu verzichten und statt dessen die Intensität der Strahlungsquelle zu modulieren. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Eine modulierte Strahlungsquelle 20 bestrahlt einen Teil der Oberfläche des Objektes 0.In a modification of the exemplary embodiments described above, it is also possible to do without a rotating aperture and instead use the intensity to modulate the radiation source. Such an embodiment is shown in Fig. 5 shown. A modulated radiation source 20 irradiates part of the surface of the object 0.

Die von der Objektoberfläche emittierte bzw. reflektierte Strahlungsleistung wird von einem Detektor D aufgefangen.The radiant power emitted or reflected by the object surface is picked up by a detector D.

Die modulierte Strahlungsquelle 20 liefert beispielsweise Lichtimpulse von konstanter oder variabler Impulsfolgefrequenz. Auch die Impulslängen können konstant oder, gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel, variabel sein und zwar inklusiv zufälliger Belichtungsfunktionen K(t). Dann kann auch an Objekten gemessen werden, deren Emissivität sich periodisch oder niclitperiodisch, aber unkorrelliert mit der Belichtungsfunktion änderet.The modulated radiation source 20 supplies light pulses, for example of constant or variable pulse repetition frequency. Also the pulse lengths can be constant or, according to another embodiment, variable and including random exposure functions K (t). Then you can also work on objects are measured, the emissivity of which changes periodically or not periodically, but uncorrelated changes with the exposure function.

Im Strahlengang zwischen dem Objekt 0 und dem Detektor D ist ein optisches System 21 angeordnet, welches eine Abbildung der ausgewählten Oberfläche des objektesO im Detektor D ermöglicht. Selbstverständlich kann das optische System 21 gleichzeitig im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem Objekt O angeordnet sein. In diesem Fall wäre das optische System 21 beiden Strahlengängen gemeinsam.In the beam path between the object 0 and the detector D there is an optical one System 21 arranged, which is an image of the selected surface of the object O in the detector D allows. Of course, the optical system 21 can simultaneously be arranged in the beam path between the radiation source 20 and the object O. In this case, the optical system 21 would be common to both beam paths.

Der Ausgang des Detektors D, an welchem die emittierte Strahlungsleistung und die Summe aus emittierter und reflektierter Strahlungsleistung erscheinen, ist mit dem JJn<jang einer Trennschaltung 22 verbunden. Ueber eine Syncronisierleitung 23 wird die Trennschaltung 22 durch die modulierte Strahlungsquelle 20 synchronisiert.The output of the detector D, at which the emitted radiant power and the sum of emitted and reflected radiation power appear is connected to the JJn <jang of an isolating circuit 22. Via a synchronization line 23, the isolating circuit 22 is synchronized by the modulated radiation source 20.

Durch entsprechende Signalverarbeitung innerhalb der Trennschaltung 22 werden die emittierte und die reflektierte Strahlungsleistung voneinander getrennt.Through appropriate signal processing within the Isolating circuit 22, the emitted and the reflected radiation power are separated from one another.

Ihre Werte erscheinen an Ausgängen 24 und 25 der Trennschaltung 22.Their values appear at outputs 24 and 25 of the isolating circuit 22.

In einer Verknüpfungsschaltung 26 werden die an den Ausgängen 24 und 25 der Trenneichaltung 22 anfallenden Signale unter Verwendung von Werten für die Gerätekonstanten, welche in Speichern 27 und 28 gespeichert sind, verarbeitet. Am Ausgang der Verknüpfungsschaltung 26 erscheint ein die absolute Temperatur der Objekt oberfäche angebendes Signal Zur automatischen Eichung der gezeigten Vorriciltung sind ein Schwarzer Körper 29 und ein Spiegel 30 vorgesehen, welche während des Eichvorganges in den Wirkbereich des Detektoreinganges gebracht werden.In a logic circuit 26, the outputs 24 and 25 of the isolation circuit 22 occurring signals using values for the Device constants, which are stored in memories 27 and 28, processed. At the The output of the logic circuit 26 shows the absolute temperature of the object Surface indicating signal For automatic calibration of the shown pre-setting a black body 29 and a mirror 30 are provided, which during the calibration process be brought into the effective range of the detector input.

Zu diesem zweck ist eine Umshaltvorrichtung 31 vorgesehen, welche mit einer Vorrichtung zur Positionsanzeige 32 gekoppelt ist, wodurch der Trennschaltung 22 jeweils mitgeteilt wird, ob der Detektor D von der Objektoberfläche, von dem Schwarzen Körper oder von dem Spiegel kommende Strahlung empfängt. Die Brennschaltung 22 ist in diesen Fall so ausgelegt, dass sie auch die Bestimmung der Gerätekonstanten erlaubt, Nache an den Ausgängen 33 und 34 auftreten. Diese @sg in je sind mit den i.j. ganzen der Sp@l@h@ / und 28 verbunden, um die Werte für die weitere Verarbeitung zu speichern.For this purpose, a Umshaltvorrichtung 31 is provided which is coupled to a device for position indicator 32, whereby the isolating circuit 22 is reported in each case whether the detector D from the object surface, from the Receives black bodies or radiation coming from the mirror. The burning circuit 22 is designed in this case in such a way that it also determines the device constants allowed to occur at exits 33 and 34. These @sg in ever are with the i.j. all over the sp @ l @ h @ / and 28 connected to the values for the to save further processing.

Es sei noch erwähnt, dass anstelle einer einzigen Strahlungsquelle 20 entweder mehrere solcher Strahlungsquellen oder aber zusätzliche Reflektoren vorgesehen sein können, um das räumliche Strahlungsdiagramm zu bestimmen, unter welchen die Objektoberfläche durch die Strahlungsquelle angestrahlt wird.It should also be mentioned that instead of a single radiation source 20 either several such radiation sources or additional reflectors can be provided to determine the spatial radiation pattern, under which the object surface is illuminated by the radiation source.

Dem Detektor D kann ein Filter F, beispielsweise ein I3andpass zur Auswahl eines bevorzugten Frequenzspektrums vorgeschaltet sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Infrarotfilter voryesehen.A filter F, for example an I3andpass, can be connected to the detector D Selection of a preferred frequency spectrum must be connected upstream. In a preferred An infrared filter is provided in the exemplary embodiment.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Anordnung ermöglichen bei einer vorgegebenen geometrischen Anordnung eine materialunabhängige, berührungslose Temperaturmessung, wodurch sich insbensondere für Anwendungsfälle im Bereich der Hüttenindustrie, in Walzwerken und an Fliessbandstrassen erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Strahlungspyrometern ergeben, da Unterschiede in der Emissivität des Messobjektes nicht mehr in das Messergebnis eingehen.The described method and the described arrangement enable with a given geometrical arrangement a material-independent, contactless one Temperature measurement, which is particularly useful for applications in the field of Metallurgical industry, in rolling mills and on assembly lines, have considerable advantages over this known radiation pyrometers, because there are differences in the emissivity of the measurement object are no longer included in the measurement result.

Claims

Method for non-contact measurement of the surface temperature on an object, characterized in that a signal No, which contains the radiation emitted by the object, and a signal N, which is the sum of, are observed alternately at a solid angle that is smaller than 2 # the radiation emitted by the object and the radiation guided by at least one reference radiation source onto the object and reflected radiation, and that the temperature therefrom of the object is calculated, where C is a device constant and K (t) is a time-dependent device function.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that a device (SQ, 20) for irradiating the object (0) with a time-variable radiation intensity that is provided in the beam path a detector (D) is arranged for the radiation reflected bundled by the object is that the detector (D) consists of logic circuits (2-9,? 2, 26) The arrangement for the deparification of the sampled signals (a) is connected downstream, and that a Senchrenirich device (B: e.g.) for synchronization of Detector and / or the logic circuits (22) with the device for irradiation of the property is provided.

3. Device according to claim 1, characterized in that the device (20) for irradiating the surface of the object (0) via a synchronization line (23) is connected to an isolating circuit (22), the input of which is connected to the output signals of the detector (D) is applied, with the output (24, 25) of the isolating circuit separate signals for the emitted radiation of the object and for the reflected Radiation of the same occur, and that these output signals as well as those from memories (27, 28) read out signals for the device constants of a logic circuit (26) are supplied, at the output of which is a function of the absolute temperature of the Object surface occurs.

4. The device according to claim 3, characterized in that the device (20) for irradiating the object surface means for adjusting the radiation power having.

5. Apparatus according to claim 3, characterized in that in the beam path between the device (20) for irradiation the object surface and the object and between the object (0) and the detector (D) one two beam paths common optical system (21) is arranged.

6. The device according to claim 3, characterized in that the device (20) has a spatial radiation diagram for irradiating the object surface, which makes the radiation source appear at a certain solid angle.

7. Apparatus according to claim 3, characterized in that; the Device (20) for irradiating the object surface with several radiation sources and / or reflectors.

8. The device according to claim 3, characterized in that the device (20) a binary intensity modulation of the for irradiating the object surface provides a beam directed at the object.

9. The device according to claim 8, characterized in that a variable pulse repetition frequency is provided.

10. The device according to claim 8, characterized in that a variable pulse length is provided.

11. The device according to claim 3, characterized in that a Switching device (31) is provided for switching the detector input to a reference signal, which from a black body (29) or from one of the incident Radiation deflecting reflector (30) stamr..t.

12. The device according to claim 11, characterized in that a Position display device (32) coupled to the switching device (31) and is connected to the isolating circuit (22) and that the isolating circuit is additional Has outputs (33, 34) for the delivery of signals which the device constants set, these outputs are connected to the memories (27, 28).

13. The device according to claim 3, characterized in that the A filter (F>, e.g. a band pass, is connected upstream of the detector.

14. The device according to claim 3, characterized in that the Isolation circuit (22) and the logic circuit (26) form a common assembly form.

15. The device according to claim 2, characterized in that both in the beam path between at least one radiation source (SQ) and the object (O) as well as between the object (O and a detector (D) a device (B) is arranged for the synchronous chopping of the two radiation signals.

16. The device according to claim 2, characterized in that a Both beam paths common rotating diaphragm (B) is provided.

17. The device according to claim 2, characterized in that a Partially transparent mirror (S) common to both beam paths is provided.

18. The device according to claim 17, characterized in that between the mirror (S) and the object (0) an optical path that is common to both beam paths System (L) is arranged

19. The device according to claim 2, characterized in that that the detector is followed by a demodulator (3), which with the chopper devices (B) is synchronized (4) in such a way that on the one hand the Object radiation signal No and at a second output the sum of the object radiation signal No and the reflected radiation signal No occur;

20. Apparatus according to claim 19, characterized in that the two outputs of the demodulator (3) have a differential amplifier (5) is connected downstream, the output signal of an input of a second differential amplifier (8) is supplied that the second input of the second differential amplifier (8) is applied to a constant level and that the output of the second differential amplifier (8) is fed as a denominator input to a division module (9), the numerator input of which is connected to that output of the demodulator (3) at which the signal (No) occurs for the radiation emitted by the object.

L e r s e i t e