DE3611567C2

DE3611567C2 -

Info

Publication number: DE3611567C2
Application number: DE3611567A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. O-8030 Dresden De Kienitz; Christian Dipl.-Ing. O-8027 Dresden De Schiewe
Original assignee: Messgeraete Magdeburg O-3011 Magdeburg De GmbH
Current assignee: ULTRAKUST INFRA SENSOR GMBH MAGDEBURG, O-3018 MAGD
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1992-05-14
Also published as: JPS6285828A; DE3611567A1; DD253741A3; US4821219A; GB2179446A; GB2179446B; GB8617769D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur eines Objektes mit verschiedenen Anteilen unterschiedlich emittierender Oberflächenmaterialien gleicher Temperatur mittels Mehrkanalpyrometer, z. B. für pyrometrische Messungen an rotierenden Walzen, an denen sich in unterschiedlichem Maße Reste von zu bearbeitendem Material befinden.

Die pyrometrische Messung mit bekannten Gesamtstrahlungs- bzw. Bandstrahlungspyrometern verlangt in den oben beschriebenen Meßfällen einen künstlichen Emissionsgradausgleich mit Hilfe von Mattlacken oder dünnen Folien. Diese Maßnahmen sind oft nur bedingt realisierbar. Die andere Möglichkeit, der Einsatz 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 ist. Der Einsatz von Verhältnispyrometern erweist sich nur dann sinnvoll, wenn alle Materialien in den spektralen Meßbereichen grau strahlen, so daß ihre Mischprodukte auch ein graues Emissionsgradverhalten zeigen. Auch nach der DE-PS 31 15 887 wird im Meßfall das Vorhandensein eines grauen Strahlers vorausgesetzt. Die Annahme eines grauen Strahlers ist jedoch nur in den Ausnahmefällen berechtigt, wenn der Emissionsgrad von der Wellenlänge unabhängig ist. Das zeigen auch die bekannten Emissionsgradverläufe in Fritz Lieneweg, Handbuch Technische Temperaturmessung, Vieweg-Verlag, Braunschweig, 1976.

Aus der DE-OS 33 43 043 ist ein pyrometrisches Meßverfahren zur Temperaturmessung eines Objektes in mehreren Spektralbereichen bekannt. Dieses Meßverfahren liefert nur dann exakte Meßwerte, wenn die Meßobjekttemperatur annähernd gleich der Umgebungstemperatur ist. Weiterhin wird bei Veränderung der Objekttemperatur eine konstante Umgebungsstrahlung vorausgesetzt, was in realen Meßräumen jedoch praktisch nicht der Fall ist. Von Nachteil ist ebenfalls, daß bei höheren Umgebungstemperaturen der Umgebungsstrahlungseinfluß auf das Meßergebnis in der Größenordnung aller anderen Meßfehler liegt, so daß nur sehr ungenaue Resultate geliefert werden.

Nach der DE-OS 34 14 984 soll der Nachteil der eingeschränkten Anwendbarkeit auf Meßfälle, bei denen die Meßobjekttemperatur annähernd gleich der Umgebungstemperatur ist, durch eine Hilfsstrahlung zur künstlichen Umgebungsstrahlungsänderung beseitigt werden. Diese Umgebungsstrahlungsänderung ist aber nur in einem kleinen Raumwinkel um das Meßobjekt und nicht im Halbraum durchführbar, was zusätzlich in einem Geometrie- und Korrekturfaktor Ω_Q berücksichtigt wird. In der Praxis erweist sich jedoch, daß der Korrekturfaktor Ω_Q meßfallspezifisch spektral abhängig ist und somit das angegebene Gleichungssystem ohne weitere Vorinformation nicht lösbar bzw. die Meßgenauigkeit extrem eingeschränkt ist.

Aufgabe unserer Erfindung ist es, ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung eines Objektes mit verschiedenen Anteilen a_i von i=1 bis m unterschiedlich emittierender Oberflächenmaterialien gleicher Temperatur zu schaffen. Dabei werden mittels eines Mehrkanalpyrometers die vom spektralen Strahlenfluß hervorgerufenen Signalspannungen in j=1 bis n Spektralkanälen bei einer mittleren Umgebungstemperatur T_u gemessen. Der am schwarzen Strahler übliche Kalibriervorgang erfolgt in allen j=1 bis n Spektralkanälen, wobei die Differenzen aus den Signalspannungen U_oj des schwarzen Strahlers bei der Temperatur T_o und den Signalspannungen U_uj der Umgebung bei der mittleren Umgebungstemperatur T_u gebildet werden und deren Abhängigkeiten von der Temperatur des schwarzen Strahlers als erste Kalibrierkurven ermittelt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt entsprechend den einzelnen Verfahrensschritten im Kennzeichen des Patentanspruches.

Die Erfindung verbessert wesentlich die Meßgenauigkeit pyrometrischer Temperaturmessung auch in schwierigen Anwendungsfällen bei Vorhandensein mehrerer Oberflächenmaterialien durch die erfindungsgemäße Art der Gewinnung und Verarbeitung von Vorinformationen über das Meßobjekt, wobei ein Hilfsstrahler nicht benötigt wird.

Die Erfindung soll anhand nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 die Kalibrierkennlinien eines Zweikanalpyrometers und

Fig. 2 die Fehlerkurven des Meßfehlers nach dem bisherigen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens soll die Temperatur eines durch Ruß (Emissionsgrad nahe 1) verschmutzten Objektes aus Aluminium (Emissionsgrad etwa 0,1) bestimmt werden.

Dabei wird als einfachster Fall die Messung mittels eines Zweikanalpyrometers vorgenommen. Der Ruß wurde in unterschiedlichen Flächenanteilen auf der Aluminiumoberfläche verteilt.

Es liegen somit m=2 unterschiedlich emittierende Oberflächenmaterialien mit den Flächenanteilen a₁ und a₂ und n=2 Spektralkanäle vor. Gemäß Oberbegriff des Patentanspruches werden für jeden Spektralkanal j die bekannten Kalibrierkurven lt. Fig. 1, d. h. die Abhängigkeit der Signalspannungsdifferenz U_oj-U_uj von der Temperatur T_o des schwarzen Strahlers, ermittelt.

Bekannterweise gilt für die Signalspannung im Spektralkanal j und am Material i die allgemeine Gleichung

U_ÿ = ε_ÿU_oj + (1 - ε_ÿ) U_uj - U_uj (1)

Erfindungsgemäß werden in einem zweiten Kalibriervorgang bei bekannter, z. B. durch berührende Messung gewonnener, Objekttemperatur und bei bekannter mittlerer Umgebungstemperatur T_u die für beide Oberflächenmaterialien i zugehörigen Signalspannungen U_ÿ in jedem Spektralkanal j, also U₁₁, U₁₂, U₂₁ und U₂₂, gemessen. Durch Einsetzen der gemessenen Signalspannungen U₁₁, U₁₂, U₂₁ und U₂₂ sowie der Signalspannungsdifferenzen U_o₁-U_u₁ und U_o₂-U_u₂ aus den ersten Kalibrierkurven bei der bekannten Objekttemperatur in die sich aus Gleichung (1) ergebende allgemeine Gleichung

werden die Emissionsgrade ε₁₁, ε₁₂, ε₂₁ und ε₂₂ berechnet.

Die berechneten Emissionsgrade können in einem nicht flüchtigen Speicher (RAM) und die Wertepaare aus den Kalibrierkurven gemäß Fig. 1 im ROM eines Mikrorechners, welcher mit dem Zweikanalpyrometer verbunden ist, gespeichert werden.

Im Meßfall werden in wenigstens m=2 Spektralkanälen bei einer unbekannten Verteilung der beiden Oberflächenmaterialien auf dem Meßobjekt und bei unbekannter Objekttemperatur die Signalspannungen gemessen, also U₁ und U₂. Unter der Voraussetzung, daß die Summe der Oberflächenanteile a₁ und a₂ gleich 1 ist, ergibt sich aus Gleichung (1) die allgemeine Gleichung

U_j = (a₁ε₁_j + a₂ε₂_j + . . . + a_mε_mj) (U_oj - U_uj) (3)

Durch Einsetzen aller möglichen Temperaturen T_o nach den ersten Kalibrierkurven für die Signalspannungsdifferenzen U_oj-U_uj in Gleichung (3) und unter Verwendung der gespeicherten Emissionsgrade wird die unbekannte Objekttemperatur erhalten, indem diese gleich der Temperatur T_o gesetzt wird, für welche die Gleichung (3) lösbar ist bzw. diese am besten erfüllt.

Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ergeben sich somit die Gleichungen

U₁ = (a₁ε₁₁ + a₂ε₂₁) (U_o₁ - U_u₁) (4)

und

U₂ = (a₁ε₁₂ + a₂ε₂₂) (U_o₂ - U_u₂) (5)

Dieses Gleichungssystem ist nach Eliminierung von a₁ und a₂ auf oben beschriebene Art und Weise eindeutig lösbar.

Nach Ermittlung der unbekannten Objekttemperatur sind aus den obigen Gleichungen ebenfalls die unbekannten Oberflächenanteile a₁ und a₂ der beiden Oberflächenmaterialien bestimmbar.

Fig. 2 zeigt die Meßfehlerkurve 1 für die Messung nach diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zur Meßfehlerkurve 2 für die Messung mit herkömmlichem Bandstrahlungspyrometer mit fest eingestelltem Emissionsgrad.

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung der Temperatur eines Objektes mit verschiedenen Anteilen a_i von i=1 bis m unterschiedlich emittierender Oberflächenmaterialien gleicher Temperatur durch die Messung der vom spektralen Strahlungsfluß hervorgerufenen Signalspannungen U_j am gesamten Objekt mittels eines Mehrkanalpyrometers in j=1 bis n Spektralkanälen bei einer mittleren Umgebungstemperatur T_u, wobei zunächst in einem ersten Kalibriervorgang für jeden Spektralkanal die Differenzen aus den Signalspannungen U_oj des schwarzen Strahlers bei der Temperatur T_o und den Signalspannungen U_uj der Umgebung bei der mittleren Umgebungstemperatur T_u gebildet werden und deren Abhängigkeiten von der Temperatur des schwarzen Strahlers als erste Kalibrierkurven ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem zweiten Kalibriervorgang die jeweiligen Signalspannungen U_ÿ für alle i=1 bis m Oberflächenmaterialien des jeweiligen Objektes in den j=1 bis n Spektralkanälen bei bekannter, z. B. durch berührende Messung gewonnener, Objekttemperatur und bei bekannter mittlerer Umgebungstemperatur T_u gemessen werden, daß aus der bekannten Objekttemperatur mit Hilfe der ersten Kalibrierkurven die zugehörige Signalspannungsdifferenz ermittelt und die jeweiligen Emissionsgrade ε_ÿ nach der Gleichung berechnet und gespeichert werden,
daß im Meßfall die unbekannte Objekttemperatur aus wenigstens in m Spektralkanälen gemessenen Signalspannungen U_j, aus den am schwarzen Strahler kalibrierten Differenzen U_oj-U_uj, welchen jeweils eine Temperatur T_o zugeordnet ist, und aus den gespeicherten Emissionsgraden ε_ÿ nach der GleichungU_j = (a₁ε₁_j + a₂ε₂_j + . . . + a_mε_mj) (U_oj - U_uj)dadurch bestimmt wird, daß für die Differenzen U_oj-U_uj alle möglichen Temperaturen T_o nach den ersten Kalibrierkurven eingesetzt werden und
daß die unbekannte Objekttemperatur gleich der Temperatur T_o gesetzt wird, für die die letztere Gleichung lösbar ist bzw. am besten erfüllt ist.