DE3611567A1

DE3611567A1 - Verfahren zur beruehrungslosen temperaturmessung mit einem mehrkanalpyrometer

Info

Publication number: DE3611567A1
Application number: DE19863611567
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Kienitz; Christian Dipl Ing Schiewe
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: ULTRAKUST INFRA SENSOR GMBH MAGDEBURG, O-3018 MAGD
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1987-02-12
Also published as: JPS6285828A; DD253741A3; US4821219A; GB2179446A; GB2179446B; DE3611567C2; GB8617769D0

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von Objekten mit einem sich verändernden Anteil unterschiedlich emittierender Oberflächen gleicher Temperatur mittels Mehrkanalpyrometer, z. B. für pyrometrische Messungen an rotierenden Walzen, an denen sich in unterschiedlichem Maß Reste von zu bearbeitendem Material befinden.

Charakteristik der bekannten technische Lösungen

Die pyrometrische Messung mit Gesamtstrahlungs- bzw. Bandstrahlungspyrometern verlangt bei den im Anwendungsgebiet der Erfindung beschriebenen Meßfällen einen künstlichen Emissionsgradausgleich mit Hilfe von Mattlacken oder dünnen Folien. Diese Maßnahmen sind oftmals nur bedingt realisierbar. Die andere Möglichkeit des Einsatzes von Spitzenwertspeichern bei meßtechnischer Berücksichtigung des Stoffes mit dem höchsten Emissionsgrad setzt voraus, daß der Meßfleck während der Gesamtmeßzeit wenigstens einmal mit dem betreffenden Material ausgefüllt wird. Der Einsatz von Verhältnispryrometern erweist sich nur dann als sinnvoll, wenn alle Materialien in den spektralen Meßbereichen grau strahlen, so daß ihre Mischprodukte auch ein graues Emissionsgradverhalten zeigen. Dies ist aber bei vielen Anwendungsfällen nicht gegeben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, für die o. g. Anwendungsfälle die Meßgenauigkeit einer pyrometrischen Temperaturmessung zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Objekttemperatur unter Berücksichtigung der Strahlungsanteile der verschiedenen Oberflächen zu messen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die spektralen Signalspannungen U _ÿ in Abhängigkeit von der Differenz U _oj-U _uj für die i = 1 bis m im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen des Objektes festgestellt, wenigstens m spektrale Signalspannungen U _j gemessen und die Objekttemperatur aus der additiven Überlagerung der m Strahlungsquellen im Meßfleck ermittelt wird.

Die von einem nichttransparenten Stoff mit der Objekttemperatur T _o und einem Emissionsgrad ε _ÿ ausgehende Temperaturstrahlung wird in den j = 1 bis n Kanälen bei der Umgebungstemperatur T _u als spektrale Signalspannung

gemessen. Hierzu sind U _oj und U _uj die den Temperaturen T _o bzw. T _u entsprechenden spektralen Signalspannungen. Der Zusammenhang zwischen den Temperaturen und den Signalspannungen wird wie üblich für jedes Pyrometer am Schwarzen Strahler kalibriert.

Zusätzlich werden erfindungsgemäß für jedes beim Anwender an dem spektralen Objekt vorkommende Oberflächenmaterial die Beziehungen

ebenfalls kalibriert. Es werden der für den Einsatzfall zu erwartende Temperaturbereich und die ihm entsprechenden mittleren Temperaturen bestimmt.

Bei diesen mittleren Temperaturen werden für die i = 1 bis m im Emissionsgrad verschiedenen Oberflächenmaterialien die Signalspannungen U _ÿ bei bekannter Oberflächentemperatur gemessen und gespeichert.

Im Einsatzfall werden die Spannungen U _j für eine unbekannte Verteilung der m Materialien auf dem Objekt und unbekannte Objekttemperatur gemessen. Der Anteil des i-ten Materials an der Objektoberfläche sei a _i mit

Dann ergibt sich aus (1), daß

ist.

Die Gleichungen (3) und (4) stellen ein Gleichungssystem von n + 1 Gleichungen mit m unbekannten Oberflächenmaterialanteilen und der unbekannten Objekttemperatur dar. Es ist für m n eindeutig lösbar, da die n unbekannten Signalspannungen U _oj über die Kalibrierkurven für jeweils eine Objekttemperatur T _o einander zugeordnet sind. Es ist also möglich, das Gleichungssystem nach den U _oj umzustellen und dabei die a _i zu eliminieren, die aus der zweiten Kalibrierung für ε _ÿ ermittelten Signalspannungen und die U _uj entsprechend der mittleren Umgebungstemperatur T _u einzusetzen und die so erhaltene Gleichung zu lösen, indem nacheinander die U _oj-Wertpaare eingesetzt werden. Ein Wertepaar erfüllt die Gleichung am besten. Ihm entspricht die gesuchte Objekttemperatur. Mit ihm können aus Gleichung (4) ebenfalls die unbekannten Oberflächenanteile a _i ermittelt werden.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Kalibrierkennlinie eines Zweikanalpyrometers;

Fig. 2 die Fehlerkurven des Meßfehlers mit einem Bandstrahlungspyrometer nach dem bisherigen Verfahren (Kurve 2) und mit einem Zweikanalpyrometer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve 1).

Ermittelt wurde die Temperatur eines "verschmutzten" Objekts aus blankem Aluminium (ε ≈ 0,1) mit Ruß (ε ≈ 1).

Der Ruß wurde in unterschiedlichen Flächenanteilen a ₁ auf der Aluminiumoberfläche verteilt. Es wurde mit einem Zweikanalpyrometer gemessen. Die üblichen Kalibrierkurven gemäß Fig. 1 waren bereits bekannt. Direkt am blanken Aluminium und am Ruß wurden bei der bekannten Temperatur von 100°C die Signalspannungen U _ÿ gemessen und daraus die spektralen Emissionsgrade ε ₁₁, ε ₁₂, ε ₂₁ und e ₂₂ berechnet.

Das Zweikanalpyrometer war über einen A/D-Wandler an einen Mikrorechner angeschlossen. Die Wertepaare aus den Kalibrierkurven gemäß Fig. 1 waren im ROM gespeichert. Die berechneten Emissionsgrade wurden in einem zusätzlichen (nicht flüchtigen) RAM gespeichert.

Die Logik der Gleichungen (3) und (4) ihre Auflösung nach U _oj und a _i einschließlich des iterativen Lösungsalgorithmus wurden programmiert. Die Auswertung der unterschiedlich"verschmutzten" Materialproben ergab eine Objekttemperatur von 85°C und Flächenanteile gemäß Vorgabe mit dem in Fig. 2 in Kurve 1 dargestellten Fehler.

In Fig. 2 sind im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren in Kurve 2 die Fehler bei Verwendung des herkömmlichen Bandstrahlungspyrometers mit fest eingestelltem Emissionsgrad dargestellt.

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur von Objekten mit einem sich ändernden Anteil unterschiedlich emittierender Oberflächen gleicher Temperatur durch die Messung der spektralen Signalspannungen U _j bei j = 1 bis n effektiven Wellenlängen bei einer unbekannten mittleren Umgebungstemperatur T _u und einer durch Kalibrierung festgestellten Abhängigkeit der Differenz U _oj-U _uj von den Temperaturen eines schwarzen Strahlers, gekennzeichnet dadurch, daß die spektralen Signalspannungen U _ÿ in Abhängigkeit von der Differenz U _oj-U _uj für die i = 1 bis m im Emissionsgrad unterschiedlichen Oberflächen des Objektes festgestellt, wenigstens m spektrale Signalspannungen U _j gemessen und die Objekttemperatur aus der additiven Überlagerung der m Strahlungsquellen im Meßfleck ermittelt wird.