DE102005018124B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Meßobjekts - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Meßobjekts Download PDF

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Abstract

Verfahren zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Messobjektes (1), wonach Temperaturänderungen des Messobjektes (1) simuliert werden, wonach ferner die vom Messobjekt (1) reflektierte Strahlung spektral zerlegt wird, um Temperatur- und Emissionswerte materialunabhängig zu bestimmen, und wonach zwischen dem Messobjekt (1) und einem Detektor (6) ein optischer Übertragungskanal (3) mit einer Filtermaske (5; 8 bis 12) angeordnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Filtermaske (5; 8 bis 12) zur Simulation der Temperaturänderungen als zweidimensionale Durchlassfiltermaske (29) mit örtlich unterschiedlichen Durchlassgraden (Fλ(x)) ausgebildet ist, um
– ein ortsaufgelöstes zweidimensionales Temperaturbild des Messobjektes (1) auf einem zweidimensionalen, aus mehreren gleichen Detektoren (31 bis 35) zusammengesetzten Imagedetektor (30) zu erzeugen, wobei
– die einzelnen Durchlassgrade (Fλ(x)) für ein kalibriertes Temperaturbild gespeichert und bei der Temperaturmessung berücksichtigt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Messobjektes, wonach Temperaturänderungen des Messobjektes simuliert werden, wonach ferner die vom Messobjekt reflektierte Strahlung spektral zerlegt wird, um Temperatur- und Emissionswerte materialunabhängig zu bestimmen, und wonach zwischen dem Messobjekt und einem Detektor ein optischer Übertragungskanal mit einer Filtermaske angeordnet wird.
  • Ein derartiges Verfahren ist im Großen und Ganzen Gegenstand der DE 30 31 959 A1 . Hier geht es um ein Verfahren zum Messen der Temperatur und des spektralen Faktors von N Proben. Dazu werden die einzelnen Strahlungsflüsse der N Proben hinsichtlich ihrer Wellenlänge spektral zerlegt. Auch kommt ein Approximationsmessverfahren zum Einsatz. Störstrahlung lässt sich hiermit jedoch nicht effektiv erfassen und unterdrücken.
  • Die DD 146 340 befasst sich mit einem Pyrometer, bei dem im Strahlengang unter anderem eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung von Wechsellicht angeordnet ist. Die Modulationseinrichtung kann als keilförmige, aus einem für den Durchgang des Messlichtes geeignete Material bestehende Platte hergestellt sein. Als Detektor sind zwei gleiche thermische Empfänger realisiert, die durch die Modulationseinrichtung alternierend vom Messlicht bestrahlt werden.
  • Die bisher entwickelte passive und aktive pyrometrische Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren zum Erzielen einer berührungslosen materialunabhängigen und störungsfreien Temperaturmessung und Kalibrierung, die auf einer Lösung eines Gleichungssystems oder auf anderen Lösungsmethoden basieren und unter unterschiedlichen Annahmen bezüglich des Emissionsgrades und der störenden Strahlungen verwirklicht werden, bilden grundlegende Bausteine zur Weiterentwicklung von präziseren Spektral- und Strahlungspyrometern.
  • Stand der Technik
  • Viele passive berührungslose Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren und darauf aufbauende Geräte und Systeme beruhen auf verschiedenen Annahmen über die Abhängigkeit des Emissionsgrades von der Wellenlänge und der Temperatur im aktuellen Spektral- und Temperaturmessbereich des Messobjekts.
  • In der von Khan, Pat.USA No. 5,132,922 und Ronchi, Claudio; EP 0420108 A1 beschriebenen passiven Methoden werden gleichzeitig die Temperatur und der Emissionsgrad anhand eines Gleichungssystems mit der Zielsetzung der Minimierung der Differenz zwischen der tatsächlichen und der durch eine Modelfunktion des Emissionsgrades beschriebenen Strahlungen in mehreren Spektralbereichen im Rahmen der Kleinst-Quadrate-Schätzung errechnet. Dabei stellt die Modelfunktion das jeweilige tatsächliche unbekannte Spektralverhalten des Emissionsgrades dar und kann nur approximativ und nicht für sämtliche Spektralbereiche bzw. Materiale angewandt werden. Auch die störenden Anteile werden im Rahmen dieser Methode nicht miteinbezogen. Dabei setzt das Patent nach Ronchi, Claudio; EP 0420108 A1 zusätzlich die Wiensche Näherung voraus.
  • Die passive Methode nach Buchholt, Karl-Heinz; EP 0592361 A1 beruht auf einer Emissionsgradbestimmung für zwei Wellenlängen im Rahmen einer Korrelationsanalyse, durch die der Funktionszusammenhang zweier Emissionsgrade durch Parameter der Referenztemperaturmessungen ermittelt wird. Die Korrelationsanalyse und die zusätzlichen Referenztemperaturmessungen führen zu Aufwändigkeit des Verfahrens, wobei auch hier die auf das Objekt einfallende störende Strahlung vernachlässigt wird.
  • Das vor kurzem entwickelte imagedetektorbasierte sog. Imaging Pyrometer nach Seitz; Pat. USA No. 6,758,595, oder (Tatsuwaki et al.); U.S. Pat. No. 4,413,324 erzielt mittels zweiwellenlängigen Technik oder ein nach Ronchi, Claudio, DE 2,067,248 multikanäliges nicht imagebasiertes Pyrometer mittels verschiedener Näherungsgesetze nur eine relativ materialunabhängige Temperaturmessung, bei denen die Störungsstrahlanteile als gering und vernachlässigbar und die Emissionsgrade als nicht spektral dispergierte oder durch eine theoretische wellenlängen- und temperaturabhängige Modelfunktion approximiert werden.
  • Das andere auf den Imagedetektoren basierte sog. mehrwellenlängige Imaging Pyrometer (WIP) nach Kaplinsky, et al. Pat.USA No. 5,822,222, das in zwei unabhängigen Moden – der Kalibrierung und Temperaturmessung betreibbar ist, wird in verschiedenen Ausführungen des Pyrometers entsprechend unterschiedliche pyrometrische vordefinierte Extrapolationen des wellenlängenabhängigen Emissionsgrades für die Temperaturmessung verwendet, was den Einsatz von diesem Pyrometer in Bezug auf die materialunabhängige und störungsfreie Temperaturmessungen nur für ein begrenztes Aufgabespektrum ermöglicht. Die Kalibrierung ist auf eine Anwendung von mehreren Filtern angewiesen, wobei die speziellen Filter spektral nur auf eine bestimmte in diesem Patent erwähnte Temperatur von 700°C angepasst werden können, die in der Mitte eines wahrscheinlichen Temperaturmessbereichs liegen, und deshalb eine präzise hochquantierte pyrometrische materialunabhängige und störungsfreie Kalibrierung im breiten Temperaturmessbereich für dieses Imaging Pyrometer einschränken.
  • Bei der aktiven Bestimmung des Emissionsgrades werden sowohl direkte, anhand einer Reflexivitätsmessung durchzuführende, als auch indirekte Methoden, bei denen durch die Lösung des Gleichungssystems die Werte des Emissionsgrades, Temperatur, etc. approximativ unter der Setzung unterschiedlicher Annahmen über das Spektral- und Temperaturverhalten des Emissionsgrades und speziellen Annäherungen gewonnen werden, angewandt.
  • Die zwei aktive direkte anhand des Laser Pyrometers realisierte Verfahren nach Stein; Pat. USA No. 4,417,822, Brisk; Pat. USA No. 4,647,74, die auf der direkten Bestimmung des Emissionsgrades und der daraus zu errechnenden Temperatur basieren, sind nur auf enge Spektralbände und diffuse Oberflächen anwendbar. Dabei gehören der aufwändige Einsatz eines Hilfsstrahlers und die Vernachlässigung der Störstrahlung zu den Nachteilen dieser Methode.
  • Die aktive zweiwellenlängige pyrometrische Methode nach Günter Kostka, Ürgen Reger, „VDI Berichte 1379 Temperatur 98 Aktive zwei wellenlängige Pyrometrie" kann im Vergleich zu dem vorherigen Verfahren als effektivere Methode angesehen wer den, da der Reflexivitätsunterschied bei verschiedenen Wellenlängen berücksichtigt wird. Dabei ist jedoch der Einsatz eines Hilfsstrahlers nicht umzugehen. Außerdem bedarf die Methode einer Kalibrierung des Verhältnisses der Reflexivität für zwei Wellenlängen, die gleich wie nach Stein; Pat. USA No. 6,375,350 anhand eines hemisphärischen goldenen Referenzspiegels durchzuführen ist, was mit einem weiteren Aufwand verbunden ist. Dabei gehören wiederum die Voraussetzung der Wienschen Näherung und die Vernachlässigung der auf das Messobjekt einfallender Störstrahlung zu den Nachteilen des Verfahrens.
  • Die weitere Erfindung nach Iuchi; Pat. USA No. 4,172,383 ermöglicht beim Einsatz von zwei Hilfsstrahlern änderbarer Intensität die Bestimmung der Temperatur sogar bei der Unbeständigkeit des Emissionsgrades im Laufe der Messungen, wobei sie auf ein spezielles Spektralverhalten des Emissionsgrades angewiesen ist, welches beim Variieren von zwei Wellenlängen ausgesucht werden sollte. Zusätzlich müssen die Hilfsstrahler zur Oberfläche hin orientiert werden, um eine spiegelartige Reflexion zu erzielen. Die Störstrahlung wird dabei nicht berücksichtigt.
  • Bei vielen Arten aktiver Methoden, die auf einer Lösung des Gleichungssystems basieren und mindestens von zwei Wellenlängen ausgehen, beruht die Bestimmung des unbekannten Emissionsgrades, der Temperatur, der Umgebungstemperatur auf der Analyse eigener Strahlung des Objekts, reflektierter von diesem Objekt Strahlung des Hilfsstrahlers und aus dieser eigenen und reflektierter Strahlung zusammengesetzter Gesamtstrahlung, wobei der aufwändige Einsatz eines/mehrerer Hilfsstrahler einen gewichtigen Beitrag zu den Nachteilen der unten beschriebenen aktiven Methoden darstellt.
  • Die aktive Methode und darauf aufbauendes Pyrometer nach Stein; Pat. USA No. 4,708,493 beruht auf den Verhältnismessungen der Intensitäten der eigenen Strahlung des Messobjekts und der von diesem Messobjekt reflektierten Strahlung der Laserdiode für zwei Wellenlängen mit der aus der Lösung des Gleichungssystems ergebender Bestimmung der Tem peratur. Die Methode lässt sich aber nur unter der Annahme des unselektiven Streufaktors der reflektierten Strahlung verwirklichen. Die entstehenden Störstrahlungsanteile werden damit weder eliminiert noch bestimmt.
  • Die aktive Methode nach Tank; Pat. USA No. 4,924,478 für die gleichzeitige Bestimmung der Temperatur, des Emissionsgrades, der Umgebungstemperatur, die mit Hilfe von der auf drei Wellenlängen basierten Lösung des Gleichungssystems und einem Hilfsstrahler umgesetzt wird, setzt den unselektiven Charakter des Emissionsgrades voraus, was dieses Verfahren nur für einen eingeschränkten Aufgabenbereich anwendbar macht. Die in den meisten Fällen nicht hemisphärische vorliegende Winkelverteilung der reflektierten Strahlung wird hier nicht berücksichtigt, so dass Verfahren nur bei diffusen Oberflächen angewandt werden kann.
  • Bei weiteren aktiven oder passiven Tempearaturmess- und Kalibrierungsverfahren, die auf direkten oder durch die Lösung des Gleichungssystems ergebenden Messungen basieren, wird die auftretende Tempearturänderung des Messobjekts als Grundlage für die Realisierung einer materialunabhängigen und störungsfreien Temperaturmessung oder pyrometrischen Kalibrierung eingesetzt.
  • Die aktive Temperaturmessverfahren nach Oehry Bernhard; CH-PS 5522, Pat.USA No. PS3608439, Glenn; Pat.USA No. 4, 818, 102, Schietinger Pat. USA No. 5,154,512, TEMPMEKO, 96 setzen den Hilfsstrahler (Laser) für die Temperaturänderung des Messobjekts ein, so dass die störenden Einflüsse durch aktive periodische Temperaturänderungen des Messobjekts minimiert werden. Aus Gründen der Temperaturabhängigkeit des Emissionsgrades und der Reflexivität der Störstrahlung ist die absolute Eliminierung von störenden Einflüssen hier nicht möglich. Eine direkte Temperaturbestimmung in diesen Verfahren ist mittels konventioneller Quotientenpyrometrie realisiert, wobei aber die Problematik der materialunabhängigen Messung nicht gänzlich behoben wird und die Messgenauigkeit durch die temperaturabhängige Emissionsgrade an beiden Wellenlängen sogar beeinträchtigt wird. Außerdem trägt bei der aktiven Temperaturänderung auch die temperaturabhängige Verstreuung der vom Messobjekt reflektierten störenden Strahlung zu einem unabsehbaren Messfehler bei.
  • In der aktiven bei Ng; Pat. USA No. 5,690,429 beschriebenen Methode, die ein Kalibrierungsverfahren darstellt und die auf dem Strahlungsverhältnis bei zwei unterschiedlichen Temperaturen des Messobjekts basiert, wird die Endtemperatur nach vorgenommenen Temperaturänderung der ursprünglichen Temperatur durch grafische Analyse nur im kurzwellenlängigen Bereich und für zwei sehr schmale Spektralbände bestimmt, wobei die Störstrah lungsungsanteilen als vernachlässigbare angenommenen sind. Diese Annahmen begrenzen die Anwendung des Verfahrens. Mehr noch, jede Temperaturänderung der Messoberfläche bringt eine Mitänderung aller die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigender Werte, wie die des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades der Durchgangsstrecke und der Reflexionsgrade der störenden Strahlungen mit sich.
  • Zusätzlich tragen auch die temperaturabhängigen Streufaktore der störenden Strahlungen zu dem Messfehler bei. Deshalb machen die in diesem entwickelten Kalibrierungsverfahren vorgegebene Annahmen über die vernachlässigbare Störstrahlung und die Temperaturunabhängigkeit des Emissionsgrades die Anwendung der angebotenen Methode nicht in allen Messfällen und nicht auf absolut alle Messobjekte möglich.
  • In den Methoden nach Tank; Pat.USA No. 4,974,182, Koltunov, PCT /IL98/00568; Pat.USA No. 6,837,617 werden für die materialunabhängige Temperaturmessungen die sowohl aktiv vorgenommene als auch von alleine auftretende tatsächliche Temperaturänderungen des Messobjekts angewandt. Die materialunabhängige Temperaturbestimmung nach Tank; Pat.USA No. 4,974,182 wird durch eine Lösung des Gleichiungssystems realisiert, für deren Lösung eine aufwändige und nicht immer umsetzbare aktive Temperaturänderung des Messobjekts vorgenommen werden muss. Um den während der Temperaturänderung variierenden Emissionsgrad nicht berücksichtigen zu müssen, werden die Messungen in dem im voraus bekannten Temperaturbereich durchgeführt, in dem der Emissionsgrad temperaturunabhängig ist. Da die Annahme nur für bekannte Materiale akzeptabel ist und die temperaturabhängigen Bereiche des Emissionsgrades für viele Materiale sehr begrenzt sind, ist das Verfahren nur relativ materialunabhängig. Abhängig vom unbekannten Temperaturkoeffizient des Emissionsgrades und dem aktuellen Temperatur- und Spektralbereich des unbekannten Materials sind die auftretenden Fehler nicht absehbar.
  • Sonstige temperaturabhängige Werte, solche wie Transmissionsgrad der Durchgangsstrecke, der Reflexionsgrad der Störstrahlung werden hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die Messgenauigkeit des Verfahrens nicht näher analysiert. Die vorgeschlagene Methode kann durch Lösung des Gleichungssystems in diesem Fall nur in mehreren engen Spektralbänden verwirklicht werden. Im einzigen breiten Band mit vielen aktiv vorzunehmenden Temperaturänderungen wäre sie aus dem oben genannten Grund nur für eine begrenzte Temperaturspanne akzeptabel. Außerdem ist die Strahlungsmessung des Messobjekts simultan in verschiedenen Spektralbereichen nicht gegeben, was die Messgenauigkeit dieses pyrometrischen Messsystems wesentlich beeinträchtigen kann.
  • Anhand vieler experimenteller Messungen wurde von D.Ya.Svet, High Temperature High Pressures 11, 117–118, 1979 festgestellt, dass sich der Emissionsgrad in hohem Temperaturbereich als eine lineare Funktion der Temperatur approximieren lässt. Das ermöglicht bei eingesetzter Erwärmung oder Abkühlung des Messobjekts zwar eine materialunabhängige Temperaturmessung (D.Ya.Svet, TEMPERATURE: Its Measurement and Control in Science and Industry Volume VII; Eighth Temperature Symposium Chicago, Illinois (USA)) jedoch nur für eine begrenzte Materialauswahl und nur für hochgradige Aufgabenstellungen Auch werden stets vorhandene störende Strahlungsanteile in die Analyse nicht miteinbezogen.
  • In der Lösung nach Koltunov, PCT /IL98/00568; Pat.USA No. 6,837,617 wird die materialunabhängige Temperaturmessung auch durch ein Gleichungssystem realisiert, wobei die für dessen Aufstellung und Lösung mehrere unterschiedliche Temperaturen des Messobjekts in mehreren Spektralbänden erfasst werden. Die während der Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Messorten erfasste Temperaturen des gleichen Objekts können sich ganz gering voneinander unterscheiden, was zu redundanzreichen Zuständen im Gleichungssystem führen und dadurch die niedrige Genauigkeit solchen Messsystems verursachen kann. Die Temperaturabhängigkeit des Emissionsgrades wird anhand einer als bekannt angenommenen parameterbasierten Modelfunktion gezeigt, was das Verfahren ohne a priori Kenntnisse über das Spektral- und Temperaturverhalten des Emissionsgrades nicht für alle Fälle akzeptabel und nicht auf alle Materiale anwendbar macht. Sonstige temperaturabhängige Werte, solche wie das Transmissionsgrad der Übertragungsstrecke, der Reflexionsgrad der Störungsstrahlung, werden in diesem vorgeschlagenen Verfahren hinsichtlich ihrer Eliminierung oder der gleichzeitigen Auflösung im bestehenden Gleichungssystem in die analytische Betrachtung des Problems und die Aufgabestellung gar nicht einbezogen.
  • Ein bekanntes in Pat. USA No. 5,762,419; 6,056,433; 6,086,245; 6,345,909 von Yam beschriebenes Kalibrierungsverfahren ist für die Simulation einer bestimmten Temperatur des schwarzen Strahlers geeignet. Dafür wird vor dem nicht schwarzen Strahler (LED-Lichtstrahler) ein Filter für pyrometrische Kalibrierungszwecke platziert, der das resultierende Spektrum auf das Strahlungsspektrum des Schwarzstrahlers einer bekannten Temperatur bringt. Durch den eingesetzten LED-Strahler wird aufgrund seines engen Abstrahlungsspektrums die Kalibrierung nur in einem relativ engen und eingeschränkten Temperaturbereich gewährleistet. Verschiedene simulierte Temperaturen können durch unterschiedliche Platzierung des LEDs im Gehäuse des Kalibrierungsgerätes erzielt werden, was aber eine präzise Positionierung des Kalibrierungsfilters an dem Strahler erfordert. Die Temperaturspanne der simulierten Temperaturen ist damit auf die vorliegende Grösse des angefertigten Gehäuses begrenzt. Für die hochquantierte Kalibrierung des Pyrometers in einem breiten Temperaturbereich müssen, alternativ zur variablen Filterpositionierung, mehrere austauschbare und verschieden spektral dispergierte Filter zum. Nachteil des Verfahrens nach dem LED platziert werden, wobei Spektrum jedes Kalibrierungsfilters an das Spektrum des LEDs angepasst ist, d.h. jedes spezielle Spektralverhalten des Kalibrierungsfilters für jede simulierte Temperatur muss sich im Rahmen dieses Verfahrens nach dem Spektralverhalten des LEDs richten. Das auf diesem Verfahren aufgebaute Kalibrierungsgerät ist guter Ersatz des Kalibrierungsschwarzstrahlers. Die Problematik der emissionsgradunabhängigen pyrometrischen Temperaturmessung und Selbstkalibrierung bleibt im Rahmen dieses Verfahren weiter aktuell.
    •
  • Aufgabenstellung
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren so weiter zu entwickeln, dass Störstrahlung besonders effektiv unterdrückt bzw. ausgeblendet wird. Außerdem soll eine geeignete Vorrichtung geschaffen werden.
  • Zur Lösung dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch ... vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich jeweils in den anschließenden Ansprüchen.
  • Einige berührungslose Temperaturmessverfahren beruhen auf den tatsächlichen Temperaturänderungen des Messobjekts. Diese Temperaturänderungen werden für die Eliminierung der Störstrahlung oder gleichzeitige Bestimmung der Temperatur, des Emissionsgrades und der Umgebungstemperatur basierend auf der Lösung eines ursprünglich unterbestimmten Gleichungssystems benutzt.
  • Jede tatsächliche, sowohl aktiv vorgenommene als auch von alleine auftretende Temperaturänderung des Messobjekts zieht aber eine Mitänderung aller die Genauigkeit der Tempeperaturmessung beeinträchtigender Werte, wie des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades der Durchgangsstrecke und Reflexionsgrades der störenden Strahlung nach sich. Deshalb können alle bisherigen darauf basierenden Methoden nur annährend als materialunabhängige und störungsfreie bezeichnet werden.
  • Andererseits müssen solche Methoden in der Lage sein diese Temperaturänderungen als solche genau bestimmen zu können, was wiederum durch den unbekannten Emissionsgrad und die Störungsanteile berührungslos nicht möglich ist.
  • Deshalb können vorliegende Temperaturänderungen durch berührungslose Messungen nicht präzise, sondern nur annäherungsweise erfasst werden.
  • Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein darauf aufbauendes Imaging Pyrometer zu entwickeln, das
    • a) die gleichzeitige Messungen der Temperatur und des Emissionsgrades des inhomogenes Messobjekts, der Temperaturen und der Streufaktore der von diesem Messobjekt reflektierten temperaturinhomogenen Störstrahlungen ermöglicht,
    • b) die Temperaturmessungen materialunabhängig und störungsfrei durchzuführen erlaubt,
    • c) die analytische Grundlage der gleichzeitigen Messungen aller in a) erwähnten Grössen annahmefrei bezüglich der Temperaturunabhängigkeit des Emissionsgrades des inhomogenes Messobjekts, des Transmissionsgrades der Durchgangsstrecke und der Streufaktore sämtlicher von diesem inhomogenen Messobjekt reflektierter temperaturinhomogener Störstrahlungen zu gestalten erlaubt,
    • d) die Durchführung der gleichzeitigen Messungen aller in a) erwähnten Grössen passiv, d.h. ohne aktive Einwirkung auf das Messobjekt, sondern durch simulierte aktive Temperturänderungen des Messobjekts,
    • e) die Messungen der simulierten aktiven Temperaturänderungen nach d) durch bestimmte bekannte messbare Werte ermöglicht,
    • f) die gleichzeitige Messungen aller in a) erwähnten Grössen des inhomogenes Messobjekts nach a) ortsaufgelöst und bildgebend gestaltet,
    • g) die Messungen nach a) sowohl in schmalem(n) als auch in breitem(n) Band(-en) der eigenen und vom Messobjekt reflektierten Störstrahlungen zulässt und
    • h) die klassische pyrometrische Kalibrierung simuliert,
    • i) die zweidimensionale Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometrs ermöglicht und die im Rahmen des gleichen Konzepts und mit gleichen Mitteln nach d)–g) realisiert.
  • Der Aufgabenteil a) wird im ersten Schritt analytisch im Rahmen eines Gleichungssystems gelöst, für dessen Aufstellung und Behebung der Unterbestimmung und weitere Lösung simultan mehrere simulierte aktive Änderungen der aktuellen Temperatur des Messobjekts und sämtlicher Temperaturen der vom Messobjekt reflektierten Störstrahlungen vorgenommen werden.
  • Unter Anwendung einer bestimmten Lösung des Gleichungssystems werden die Aufgabenteile a)–c) gleichzeitig erfüllt. Um die Lösung des Gleichungssystems annahmefrei bezüglich der Temperaturunabhängigkeit des Emissionsgrades des Messobjekts, des Transmissionsgrades der Durchgangsstrecke, der Streufaktore der temperaturinhomogenen Störstrahlungen gestalten und dadurch die Temperaturmessung materialunabhängig und störungsfrei (d.h. ohne direkten Angaben zum Emissionsgrad und sämtlichen Störstrahlungen) messen zu können, wird ein Konzept ausgearbeitet, das aktive Änderungen aktueller Temperatur des Messobjekts und aller aktueller Temperaturen der Störstrahlungen ganz unabhängig von der Temperatur und dem Emissionsgrad des Messobjekts und insbesondere von allen temperaturinhomogenen Störstrahlungen simulieren würde.
  • Die einzig mögliche Lösung dieser Aufgaben wird zuerst für den Fall eigener störungsfreien Strahlung des homogenen Messobjekts und nachfolgend erweitert für den allgemeinen Fall ei nes inhomogenen Messobjekts und der von diesem Messobjekt sämtlichen temperaturinhomogenen Störstrahlungen, an die Planksche Formel angepasst, jedoch nicht direkt über die aktuelle Temperatur To des Messobjekts, sondern über ihr Kehrwert 1/To erzielt.
  • Dafür wird zwischen dem Messobjekt und dem Imaging Pyrometer eine spezielle optische spezifisch spektral dispergierte absorbierende Übertragungsstrecke eingebaut, so dass die ursprüngliche Strahlung des Temperaturkehrwertes 1/To nach dem Durchgang dieses Durchlassfilters einer bestimmten Dicke so geschwächt wird, dass sie dem Temperaturkehrwert 1/To – 1/Ti(x) entspricht. Dabei wird der neue Temperaturkehrwert ohne aktive Einwirkung auf das Messobjekt gemäss Aufgabenteil d) erzielt.
  • Um den ursprünglichen Temperaturkehrwert des Messobjekts 1/To völlig temperatur- und materialunabhängig und vor allem störungsfrei um ein Wert 1/Ti(x) zu ändern, sollte der spektral dispergierte Durchlassgrad F(λ, x) der speziellen optischen absorbierenden Übertragungsstrecke analytisch an die Planksche Formel (7, 8) angepasst folgendes Spektralverhaltens aufweisen:
    Figure 00110001
  • Diese spezielle optische absorbierende Übertragungsstrecke kann in Form eines planparallelen Durchlasfilters (im Weiteren für i=1 „Single"- und für i>1 „Multiexpofilter" und allgemein „Expofilter" genannt) gefertigt werden. Als Variante kann die Übertragungsstrecke auch in Form eines absorbierenden Faserfilters (im Weiteren für i=1 „Single"- und für i>1 „Multiexpofaserfilter" und allgemein „Expofaserfilter" genannt) gefertigt werden.
  • Dabei hängt jeder simulierte änderbare Kehrwert der Temperatur des Expofilters oder Expofaserfilters 1/Ti(x) von seiner variierenden Dicke x ab. ai stellen konstante Werte dar.
  • Allgemein ist bekannt, dass Durchlassgrad Fλ(x) einer monochromatischen Durchgangsstrecke von der aktiven optischen Dicke x durch folgende Formel beschrieben wird: Fλ(x) := exp(–K·f(x)) (2)mit K – dem Absorbtionskoeffizient und f(x) – der Funktion der aktiven optischen Dicke x der Durchgangsstrecke. Für den Fall der Lambert-Beerschen Gesetzes für dünne Schichten gilt dabei: f(x) = x.
  • Allgemein, für den Fall einer polychromatischen optischen absorbierenden Strecke ist der Absorbtionskoeffizient spektral dispergiert, was durch den folgenden Term gezeigt wird:
    Figure 00120001
  • Aus (1) und (3) folgt, dass das Produkt K(λ)·fi(x) für jeden Index i durch folgenden Term beschrieben werden sollte: K(λ)·fi(x) = (C2/λ)·(1/Ti(x)), (4)wobei der Ausdruck (4) als aus zwei Funktionen K(λ) = C2/λ und fi(x) = 1/Ti(x) bestehend interpretiert werden kann, C2 zweite Planksche Konstante und fi(x) die Funktion der Dicke des Expofilters oder Expofaserfilters ist. Gemäss (4) können die Filtereigenschaften bei der Filterfertigung nach der gewünschten Funktion fi(x) ausgerichtet werden, wobei K(λ) muss aber immer die spektrale 1/λ – Dispersion aufweisen. Für den bereits gefertigten Filter muss sein bekanntes spektrales und dickenabhängiges Transmissionsverhalten F(λ, x) entsprechend (1–4) durch konstante Werte ai,, C2 und die dickenabhängige Funkton fi(x) appproximiert werden, wobei die Funktion fi(x) hier und im Weiteren allgemein vom Lambert-Beerschen Gesetz abweichen kann und deshalb bei unterschiedlichen Filterdicken für den vorgegebenen Spektralband empirisch ermittelt werden sollte.
  • Nach dem Durchgang dieser optischen absorbierenden Strecke wird die spektrale Intensität der geschwächten Strahlung Φ(λ,x) zu:
    Figure 00120002
    wobei x die Dicke des Expofilters ist. Da der Wert von f(x) nach (4) als ein dickenabhängiger Temperaturkehrwert 1/Ti(x) definiert ist, so folgt daraus, dass die geschwächte, durch solche spektral dispergierte Strecke durchgegangene Strahlungsleistung sich über diesen beschriebenen Wert von fi(x) direkt durch Multiplizierung mit Φo(λ,To) nach (5) in die Planksche Formel integrieren lässt. Die resultierende Intergralstrahlung im ganzen Spektralband wird zu:
    Figure 00120003
    wobei die ursprüngliche temperaturhomogene eigene Strahlung Φo(λ1, λ2, To) der Temperatur To
    Figure 00130001
    erstmal auf Wiensche Distribution und klare atmosphärische Durchgangstrecke (τ = 1) unter Abwesenheit von Störstrahlung begrenzt wird:
    Figure 00130002
    mit C1, C2 – erster bzw. zweiter Plankschen Konstanten.
  • Dabei besitzt die ursprüngliche Strahlung in (8) dem ursprünglichen Temperaturkehrwert 1/To und die geschwächte Strahlung in (6) den neuen Wert – [1/To + 1/Ti(x)].
  • Das Ergebnis in (6) lässt sich ausführlich durch folgende mathematische Umformungen untermauern. Ersetzt man die Variable λ in (8) durch undimensionale Variable z = c2/(λ·To), bekommt man für die Strahlung im (λ1–λ2) – Band und i = 1:
    Figure 00130003
    mit z1 = c2/(λ1·T) und z2 = c2/(λ2·T), wobei Λ(z1) = Λ(c2/(λ1·T)), Λ(z2) = Λ(c2/(λ2·T) und Λ eine eindimensionale und hier nicht detailliert bestimmte Funktion von x ist. Deshalb folgt es für jeden geänderten Temperaturkehrwert [1/To + 1/Ti(x)], dass z1 = (c2/(λ1))·[1/To + 1/Ti(x)], z2 = (c2/(λ2)·[1/To + 1/Ti(x)] und dadurch Λ(z1) = Λ((c2/λ1)·[1/To + 1/Ti(x)]) und Λ(z2) = Λ((c2/λ2)·[1/To + 1/Ti(x)]) gilt.
  • Figure 00140001
  • Damit ist erwiesen, dass der neue Temperaturkehrwert [1/To + 1/Ti(x)] der geschwächten Strahlung in (6), geltend für jede monochromatische Komponente λ auch im breiten Band der geschwächten Strahlung (9) laut dem Bolzmanschen Gesetz ~ σT4 gilt.
  • Im Weiteren wird das erhaltene Ergebnis in (6) für den Fall der mit (9) beschriebenen Wienschen Distribution auf den Fall der mit (7) beschriebenen allgemeinen Distribution erweitert. Das wird möglich, da die Planksche Formel sich für jede spektrale Komponente in der Exponentenreihe zerlegen lässt, Φoλ(1/To) = C1·(1/λ5)·exp(–C2·(1/λTo)) + exp(–C2·(2/λTo))/2 + ... + + exp(–C2(n/λTo))/n (11)und sich mit (1) multiplizieren lässt: Φoλ(1/To + 1/T1(x)) = C1·(1/λ5)·{exp – ((C2/λ)·(1/To + 1/T1(x))) + + exp –((C2/λ)·(2/To + 1/T1(x)))/2 + .. + exp –((C2/λ)·(m/To + 1/T1(x))))/m} (12)
  • Dadurch ergibt sich erweitert auf den allgemeinen Fall eigener temperaturinhomogener Strahlung des Messobjekts und für den Multiexpofilter in der komprimierten Form:
    Figure 00140002
    wobei die eigene ursprüngliche temperaturinhomogene Strahlung Φo(λ1, λ2, To1...ToR) der verschiedenen Temperaturen To1...ToR für Planksche Distribution in komprimierter Form durch folgenden Term beschrieben wird:
    Figure 00150001
    wobei mit oberen Grenzenwerten k die Genauigkeit der Plankschen Reihenzerlegung und R die Anzahl der Temperaturkomponenten der eigenen Messobjektstrahlung festgelegt wird. Aus (13) kann eindeutig geschlossen werden, dass die resultierenden Temperaturkehrwerte 1/Tm,i,p(x) der geschwächten eigenen temperaturinhomogenen Strahlung für jede Komponente der Reihe (für jeden m, i und p) durch die Temperaturkehrwerte 1/Top der ursprünglichen eigenen temperaturinhomogenen Strahlung des Messobjekts und die temperatur- und wellenlängenunabhängige dazu zu addierende simulierte Temperaturkehrwerte 1/dTi(x) der speziellen Übertragungsstrecke für den Fall der Plankschen Distribution ausgerechnet werden: 1/Tm,i,p(x) = m/Top + 1/Ti(x) (15)
  • Die Wirkung der zwischen dem Messobjekt und dem pyrometrischen Detektor eingebauter spezieller optischer Übertragungsstrecke analytisch als Produkt seines Transmissionsgrades F(λ,x) und der ursprünglichen eigenen Strahlung Φo(λ1, λ2, To1...ToR) der Temperaturkehrwerte 1/To1...1/ToR beschrieben, hat die geschwächte eigene Strahlung der neuen Temperaturkehrwerte 1/Tm,i,p(x) zur Folge. Die Ergebnisse in (12–15) sind auf die in (7 oder 8) beschriebener temperaturinhomogener eigener Strahlung auch auf den Fall der temperaturinhomogenen störenden Strahlung erweiterbar.
  • Daraus folgt, dass der resultierende Störstrahlungsanteil der Gesamtstrahlung des Messobjekts mit bekannter Anzahl M von unterschiedlichen Störstrahlungstemperaturen Tsr sich in der komprimierten Form analog zu Formel (13) beschreiben lässt:
    Figure 00150002
    wobei die ursprüngliche störende Strahlung Φos(λ1, λ2, 1/Ts1,...1/TsM) sich aus den Störstrahlungen verschiedener Temperaturkehrwerte 1/Ts1,...1/TsM additiv zusammensetzt und für die Planksche Distribution in komprimierter Form durch folgenden Term beschrieben wird:
    Figure 00160001
  • Die Sr(λ) sind die Spektralkomponenten des Streufaktors der störenden Strahlungen und der Glied (1-ε) zeigt gemäß des Kirchhoffschen Gesetzes den Reflexionsgrad der auf das Messobjekt einfallender diffuser reflektierter Störstrahlung. Dabei wird der Streufaktor S nach Stein; Pat. USA No. 4,708,493, Tank; Pat. USA No. 4,974,182 durch folgendes Verhältnis beschrieben: S = [Φo(ϕ)/Φo(π)]/[ϕ/π], (18)wo Φo(ϕ) sich auf den Beobachtungswinkel des Empfängers ϕ und Φo(π) auf den ganzen Winkel π, der der resultierenden in die Halbkugel ausstrahlenden Gesamtstrahlung entspricht, beziehen. Damit beschreibt Sr(λ) nach (18) den „Homospherichkeitsgrad" jeder verstreuten nicht diffus reflektierten spektralen Strahlungskomponente. Für die vollkommen diffuse Reflexion nach dem Lambert-Beerschen Gesetz gilt für jeden bezogenen Winkel: S = 1.
  • Die Endformel der aus (13) und (16) summierten und nach dem Durchgang der speziellen Übertragungsstrecke geschwächten Gesamtstrahlung des Messobjekts sieht folgendermaßen aus:
    Figure 00160002
    wobei sich die ursprüngliche Gesamtstrahlung Φgo(λ1, λ2, x, To1,.. ToR) aus (14) und (17) zusammensetzt:
    Figure 00170001
    bei der jeder Kehrwert der Temperaturkomponente 1/Tsr der temperaturinhomogenen Störstrahlungen immer materialunabhängig und störungsfrei auf einen gleichen Wert 1/Ti(x), so wie bisher in (15) für eigene Strahlung gezeigt, geändert wird, so dass jeder daraus resultierende Kehrwert jeder Temperaturkomponente Tsr mit folgender Formel beschrieben wird: 1/Tm,i,r(x) = m/Tsr + 1/Ti(x) (21)
  • Aus (15) und (21) ergibt sich, dass simulierte mittels des Expofilters zustande kommende aktive Änderungen sowohl für eigene (15) als auch für sämtliche störende Strahlungen (18) immer den Wert 1/Ti(x) annehmen und sich simultan ergeben.
  • Damit ermöglicht das geschilderte Verfahren gemäss Aufgaben a), c) die gleichzeitige Bestimmung der Temperatur und des Emissionsgrades des Messobjekts, der Tempeaturen und der Streufaktore der von diesem Messobjekt reflektierten störenden Strahlungen und dadurch die gemäss Aufgabe b) materialunabhängige und störungsfreie Temperaturmessung im Rahmen eines Gleichungssystems, dessen Aufstellung und Lösung auf materialunabhängigen und störungsfreien und gemäss Aufgabe d) simulierten aktiven Änderungen des Temperaturkehrwertes der in (15) selbstemmitierten und in (21) störenden Strahlung des Messobjekts basiert, die praktisch anhand in (1, 4) beschriebenen physikalischer Mitteln (Expofiltern) durchgeführt werden.
  • Die unterschiedliche Temperaturkehrwerte werden, wie bereits erwähnt, durch die Variation der messbaren und/oder bekannten Dicke des Expofilters realisiert.
  • Dabei wird das aktuelle Problem e) der berührungslosen Messung solcher Temperaturänderungen mit einem nicht direkt messbaren und somit als bekannt vorausgesetztem Emissionsgrad des Messobjekts durch Messungen des direkt messbaren und/oder bekannten Transmis sionsgrades einer vor dem Messobjekt platzierten speziellen optischen Übertragungsstrecke beseitigt.
  • Da die Lösung des Gleichungssystems immer mehrere simulierte aktive Änderungen des aktuellen Temperaturkehrwertes des Messobjekts und/oder der aktuellen Temperaturkehrwerte der vom Messobjekt reflektierten Störstrahlungen voraussetzt, besteht die Aufgabe in ihrer ersten Phase in der konstruktiven Ausarbeitung eines auf variabler Dicke des Expofilters basierenden Pyrometers.
  • Daraus resultiert die klassische Überlegung einen vor dem Detektor des Pyrometers angebrachten verstellbaren (verschieb- oder drehbaren) Durchlassfilter (Keile) variabler Dicke für die Erzeugung der unterschiedlich geschwächten Strahlungen, die den unterschiedlichen Änderungen des ursprünglichen Temperaturkehwertes 1/To entsprechen, zu benutzen.
  • Da die an der verschiedenen Messstellen des Messobjekts vorliegende aktuelle Temperaturen und Emissionsgrade des Messobjekt überwiegend inhomogen sind, sollen alle Überlegungen in (1–21) für pyrometrische Messungen eines homogenes Messobjekts auf den allgemeinen Fall eines inhomogenen Messobjekts erweitert werden und die für die Lösung des Gleichungssystems notwendige mehrere aktive Änderungen des aktuellen Temperaturkehrwertes des inhomogenen Messobjekts und der Temperaturen der vom inhomogenen Messobjekt reflektierten teperaturinhomogenen Störstrahlungen ortsabhängig simuliert werden, was durch den Einsatz einer speziellen oberflächenverteilten Übertragunggstrecke erreicht wird. Somit dient die aus einzelnen Übertragungsstrecken unterschiedlicher Dicke zusammengesetzte oberflächenverteilte Übertragungstrecke als konstruktiver Ersatz der einzigen speziellen monoliten Übertragungsstrecke variabler Dicke, die den Ausgangspunkt der Überlegungen in (1–4) darstellte.
  • Diese spezielle zwischen dem Messobjekt und dem pyrometrischen Detektor eingesetzte Übertragungsstrecke nach (1–4) wird in Form einer, aus gleich spezifisch spektral dispergierten Expofiltern variabler Dicke bestehenden 2D-Durchlassfiltermaske (im Weiteren kurz Expofiltermaske genannt) angefertigt, was damit die Aufgabe f) erfüllt.
  • Damit die zu messende Gesamtstrahlung vom Messobjekt sowohl in schmalem(n) als auch in breitem Band empfangen werden kann, wird sie mit verschiedenen Interferenzfiltern gefiltert, was damit die Aufgabe g) erfüllt.
  • Die 2D-Interferenzfiltermaske (im Weiteren kurz Interferenzfiltermaske genannt) setzt sich aus diesen unterschiedlichen Interferenzfiltern zusammen.
  • Die mit der Interferenzfiltermaske gefilterte und danach mit der Expofiltermaske geschwächte und spektral dispergierte Strahlung wird schliesslich mit einem 2D-Multidetektor empfangen.
  • Der 2D-Multidetektor (im Weiteren Imagedetektor genannt) besteht aus einzelnen identischen Detektoren.
  • Somit wird ein Gleichungssystem mit ortspezifischen Unbekannten aufgestellt, für dessen Auflösung auf der technischen Ebene die zweidimensionale imagebasierte Interferenz- und Expoiltermaske und Imagedetektor als Grundlage für ein imagebasiertes Temperaturerfassungssystem für die Erfüllung der Aufgabe f) eingesetzt werden.
  • Zur analytischen Verdeutlichung des Verfahrens im Anlehnen an die Anwendung der oben erwähnten Interferenz- und Expofilter werden mehrere zu lösende Gleichungssysteme mit steigendem Schwierigkeitsgrad aufgestellt.
  • Vorher sollte darauf hingewiesen werden, dass die in der vorgestellten Erfindung angenommenen Begriffe des Emissiongrades und des Streufaktors nicht getrennt von der Transmission der atmosphärischen Durchgangsstrecke, sondern immer im Zusammenhang betrachtet werden, d.h. anstatt der formellen theoretischen Begriffe des Emissiongrades ε und Streufaktors S, werden stets, so wie praktisch bei allen bisherigen konventionellen Lösungen, ihre effektive Werte ε·τ und S·τ verstanden, solange die unabhängige Bestimmung des Transmissionsgrades nicht möglich und τ weit vom Wert 1 entfernt oder unbekannt ist. Sonst wird auf die herkömmlichen Begriffe ε·τ = ε und S·τ = S übergegangen.
  • Die Unbekannten sind immer ortsspezifisch aufzulösen, d.h. die ganze Messoberfläche wird auf J gleichen Messstellen aufgeteilt und jede gesuchte Unbekannte immer an der bestimmten Messstele j der Messoberfläche gebunden und mit dem laufendem Inex j identifiziert.
  • Zuerst wird die Aufgabenstellung in ihrer einfachsten Form eines schmalen Spektralbandes λ1–λ2 unter der Annahmen: a) des über dem ganzen Messobjekt vorliegenden inhomogenen effektiven Emissionsgrades εj und der inhomogenen Temperatur Toj b) der Abwesenheit der Störsrahlung: εj·f(1/Toj) = Φo(λ1, λ2, 1/Toj) (22) εj·f(1/Toj + 1/T1(x))·a1 = Φor(λ1, λ2, 1/Toj) (23)wobei f(1/Tj), f(1/Tj + 1/T1(x)) die Strahlungen des schwarzen Körpers sind und Φo(λ1, λ2, 1/Toj), Φor(λ1, λ2, 1/Toj) die an der Messstelle j ursprüngliche bzw. die temperaturreduzierte Gesamtstrahlung und εj den durchschnittlichen Wert des Emissionsgrades vom (λ1 – λ2)-Band mit der unteren λ1 und oberen λ2 Bandgrenzen darstellt.
  • Daraufhin lasst sich die Temperatur als folgender Quotient bestimmen:
    Für i=1 (Singleexpofiltermaske): f(1/Tj)/f(1/Tj + 1/T1(x)) = Φo(λ1, λ2, 1/Toj)/Φor(λ1, λ2, 1/Toj) (24)bzw. gilt für i > 1 (Multiexpofiltermaske): f(1/Tj)/f(1/Tj + 1/T1(x))·a1 + f(1/Tj + 1/T2(x))·a2 + .. + f(1/Tj + 1/Ti(x))·ai = = Φo(λ1, λ2, 1/Toj)/Φor(λ1, λ2, 1/Toj) (24a)
  • Für die Bildung des Gleichungssystems müssen 2 beliebige Expofilter der Expofiltermaske verwendet werden. Die ganze Messfläche der Expofiltermaske ist damit auf K/2 Messstellen aufgeteilt, wobei K hier und weiter die Gesamtzahl der Expofilter ganzer Expofiltermaske repräsentiert. Die Werte εj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu anderer der K/2 Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen angenommenen Messobjekt entspricht.
  • Für eine temperaturhomogene Umgebung mit einer einzigen Störstrahlungsquelle und somit einem Streufaktor muss das Gleichungssystem aus 4 Gleichungen bestehen.
  • Für i=1 (Singleexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1- εj)·fu(1/Tu) = Φ1 (25) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T1(x1))}·a1 = Φ2 (26) {εj·f(1/Tj + 1/T2(x2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T2(x2))}·a1 = Φ3 (27) {εj·f(1/Tj + 1/T3(x3)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T3(x3))}·a1 = Φ4 (28)für i > 1 (Multiexpofiltermaske) gilt dann: εj·f(1/Tj) + Sj·(1- εj)·fu(1/Tu)·a1 = Φ1 (25a) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T1(x1))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x1)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x1))}·ai = Φ2 (26a) {εj·f(1/Tj + 1/T2(x2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T2(x2))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x2))}·ai = Φ3 (27a) {εj·f(1/Tj + 1/T3(x3)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T3(x3))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x3)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x3))}·ai = Φ4, (28a)wobei (hier und im Weiteren) 1/T1(x1,), 1/T2(x2,), 1/T3(x3,) den unterschiedlichen Dicken – x1, x2, x3 des an dem Detektor angebrachten Expofilters entsprechen, εj der Emissionsgrad, Sj den Streufaktor, f(1/Tj), fu(1/Tj + 1/T1(x1)) die eigenen und fu(1/Tu), fu(1/Tu + 1/T1(x1)) die reflektierten Strahlungsintensitäten des schwarzen Körpers an der Messstelle j und ai die Konstante nach (1) beschreiben.
  • Für die Bildung des Gleichungssystems müssen 4 beliebige Expofilter der Expofiltermaske verwendet werden. Die ganze Messfläche der Expofiltermaske ist damit auf K/4 Messstellen aufgeteilt. Die Werte εj, Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu anderer der K/4 Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen angenommenen Messobjekt entspricht.
  • In dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein schmalbandiges Imaging Teilstrahlungspyrometer auf.
  • Für eine temperaturinhomogene Umgebung mit der bekannter Anzahl der Störstrahlungstemperaturaturen M muss das Gleichungssystem aus M+3 Gleichungen bestehen.
  • Für i=1 (Singleexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1- εj)·f(1/Tu1) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu2) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM) = Φ1 (29) {εj·f(1/Tj + 1/T1) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/T1) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T1)}·a1 = Φ2 (30) {εj·f(1/Tj + 1/T2) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/T2) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T2)}·a1 = Φ3 (31)... {εj·f(1/Tj + 1/TM+2) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/TM+2) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/TM+2)}·a1 = ΦM+3 (32)bzw. gilt für i > 1 (Multiexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1) + ... + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM) = Φ1 (29a) εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1 +1/T1(x1)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM + 1/T1(x1))·a1 + ... + + εj·f(1/Tj + 1/Ti(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1 + 1/Ti(x1)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM + 1/Ti(x1))·ai = Φ2 (30a) εj·f(1/Tj + 1/T1(x2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1 + 1/T1(x2)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM + 1/T1(x2))·a1 + ... + + εj·f(1/Tj + 1/Ti(x2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/Ti(x2)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM + 1/Ti(x2))·ai = Φ3 (31a)... εj·f(1/Tj + 1/T1(xM+2) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1 + 1/T1(xM+2)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM + 1/T1(xM+2))·a1 + ... + + εj)·f(1/Tj + 1/Ti(xM+2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu1 + 1/Ti(xM+2)) + .. + Sj·(1 – εj)·fu(1/TuM +1/Ti(xM+2))·ai = ΦM+3 (32a)wobei unter 1/T1,2,3... an dieser Stelle und im Weiteren stets
    Figure 00220001
    verstanden wird.
  • Die ganze Messfläche der Expofiltermaske ist damit auf K/(M+3) Messstellen aufgeteilt. Die Werte εj, Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu anderer der K/(M+3) Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen angenommenen Messobjekt entspricht.
  • Bei dem mehrbandigen Fall der Aufgabestellung unter der Annahme des über dem ganzen Messobjekt inhomogenen effektiven Emissionsgrades ε und der Temperatur To wird die ganze aktive Fläche der Expofiltermaske mittels einer aus J unterschiedlichen Interferenzfiltern bestehenden Interferenzfiltermaske spektral in J <= K verschiedene Spektralbände und räumlich in J Messstelen der Flächengröße So/J mit verschiedenen K/J Expofilter aufgeteilt, wobei So die ganze aktive Fläche der Expofiltermaske ist.
  • Für die temperaturhomogene Umgebung mit einziger Störstrahlungsquelle und somit einem Streufaktor muss das Gleichungssystem in einem der verschiedenen Spektralbänden j der Gesamtzahl J so wie in (25–28) aus 4 Gleichungen bestehen.
  • Für i=1 (Singleexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu)·a1 = Φ1 (33) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T1(x1))}·a1 = Φ2 (34) {εj·f(1/Tj + 1/T2(x2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T2(x2))}·a1 = Φ3 (35) {εj·f(1/Tj + 1/T3(x3)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T3(x3))}·a1 = Φ4 (36)bzw. für i>1 (Multiexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu)·a1 = Φ1 (33a) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T1(x1))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x1)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x1))}·ai = Φ2 (34a) {εj·f(1/Tj + + 1/T2(x2)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T2(x2))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x2))}·a1 = Φ3 (35a) {εj·f(1/Tj + 1/T3(x3)) + Sj·(1 – εj)·fu(1/Tu + 1/T3(x3))}·a1 + .. + + {εj·fu(1/Tj + 1/Ti(x3)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/Ti(x2))}·a1 = Φ4, (36a)wobei alle aufzulösende Unbekannte sich durch das Index j in einem der verschiedenen Spektralbänden auszeichnen.
  • Die ganze Messstelle besteht aus K/J Expofilter, die nur 4 Unbekannten auflösen, d.h. wenn (K/J) > 4, sind sonstige (K/J)-4 Expofilter in Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems nicht beteiligt.
  • Die Werte εj, Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden der 4 Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu anderer der J Messstellen unterscheiden können, was dem bisher als inhomogen angenommenen Messobjekt entspricht.
  • Für eine temperaturinhomogene Umgebung mit einer bekannten Anzahl der Störstrahlungstemperaturen M und der Singleexpofiltermaske (i = 1) muss das Gleichungssystem aus M+3 Gleichungen bestehen.
  • Für i=1 (Singleexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu2 + 1/T1) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T1) = Φ1 (37) {εj·f(1/Tj + 1/T2) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/T2) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T2)}·a1 = Φ2 (38) {εj·f(1/Tj + 1/T3) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu + 1/T3) + .. + Sj·(1 – εj)·f(TuM + 1/T2)}·a1 = Φ3 (39)... {εj·f(1/Tj + 1/TM+3) + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/TM+3) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/TM+3)}·a1 = ΦM+3 (40) bzw. für i > 1 (Multiexpofiltermaske): εj·f(1/Tj) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1) + ... + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM) = Φ1 (37a) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x1)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/T1(x1)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T1(x1))}·a1 + ... + + {εj·f(1/Tj + 1/Ti(x1) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/Ti(x1)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/Ti(x1))}·ai = Φ2 (38a) {εj·f(1/Tj + 1/T1(x2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/T1(x2)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/T1(x2))}·a1 + ... + + {εj·f(1/Tj + 1/Ti(x2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/Ti(x2)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/Ti(x2))}·ai = Φ3 (39a)... {εj·f(1/Tj + 1/Ti(xM+2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/Ti(xM+2)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/Ti(xM+2))}·a1 + ... + + {εj·f(1/T + 1/Ti(xM+2)) + Sj·(1 – εj)·f(1/Tu1 + 1/Ti(xM+2)) + .. + Sj·(1 – εj)·f(1/TuM + 1/Ti(xM+2))}ai = ΦM+2 (40a)
  • Die ganze Messstelle besteht aus K/J Expofilter, die M+3 Unbekannten auflösen, d.h. wenn (K/J) > M+3, sind sonstige (K/J)-4 Expofilter in Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems nicht beteiligt.
  • Die Werte εj, Sj und Tj innerhalb der aktuellen Messstelle j sind für jeden der M+3 Expofilter als konstant angenommen, wobei sie sich von einer zu anderer der J Messstellen unterscheiden können.
  • In dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein Imaging Spektralpyrometer auf.
  • Im breitbandigen Fall der Aufgabestellung kann für alle beteiligte Elemente K der Expofiltermaske bei einer temperaturhomogenen Umgebung das Gleichsystem maximal aus K Gleichungen bestehen, was für 2N+1 Unbekannten die analytische maximale Aufteilung des breiten Bandes auf N = (K-1)/2 schmale Bände der Breite (λ1-λ2)/N begrenzt.
  • Für i=1 (Singleexpofiltermaske): ε1·f(1/T1) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu) + ε2·f(1/T2) + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu) + .. + + εN·f(1/TN) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu) = Φ1 (41) ε1·f(1/T1 + 1/T1) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T1) + ε2·f(1/T2 + 1/T1) + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T2) + .. + εN·f(1/TN + 1/dT1) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/dT1)·a1 = Φ2 (42) ε1·f(1/T1 + 1/T2) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T2) + ε2·f(1/T2 + 1/T2) + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T2) + .. + εN·f(1/TN + 1/T2) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T2)·a1 = Φ3 (43) ... ε1·f(1/T1 + 1/T2N) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T2N) + ε2·f(1/T2 + 1/T2N) + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T2N) + .. + εN·f(1/TN + 1/T2N) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T2N)·a1 = ΦN (44)bzw. für i > 1 (Multiexpofiltermaske): ε1·f(1/T1) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu) + ε2·f(1/T2) + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu) + .. + εN·f(1/TN) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu) = Φ1 (41a) {ε1·f(1/T1 + 1/T11(x1)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T11(x1)) + ε2·f(1/T2 + 1/T11(x1)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T11(x1)) + .. + εN·f(1/TN + 1/T11(x1)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T11(x1))}·a1 + ... + + {ε1·f(1/Ti1 + 1/Ti1(x1)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/Ti1(x1)) + ε2·f(1/T2 + 1/Ti1(x1)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/Ti1(x1)) + .. + εN·f(1/TN + 1/Ti1(x1)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/Ti1(x1))}·a1 = Φ2 (42a) {ε1·f(1/T1 + 1/T12(x2)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T12(x2)) + ε2·f(1/T2 + 1/T12(x2)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T12(x2)) + .. + εN·f(1/TN + 1/T12(x2)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T12(x2))}·a1 + ... + + {ε1·f(1/T1 + 1/T12(x2)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T12(x2)) + ε2·f(1/T2 + 1/T12(x2)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T12(x2)) + .. + εN·f(1/T + 1/T12(x2)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T12(x2))}·ai = Φ3 (43a) {ε1·f(1/T1 + 1/T12N(x2N)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/T12N(x2N)) + ε2·f(1/T2 + 1/T12N(x2N)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/T12N(x2N)) + .. + εN·f(1/TN + 1/T12N(x2N)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/T12N(x2N))}·a1 + .. + + {ε1·f(1/T1 + 1/Ti2N(x2N)) + S1·(1 – ε1)·f(1/Tu + 1/Ti2(x2N)) + ε2·f(1/T2 + 1/Ti2N(x2N)) + + S2·(1 – ε2)·f(1/Tu + 1/Ti2N(x2N)) + .. + εN·f(1/TN + 1/Ti2N(x2N)) + SN·(1 – εN)·f(1/Tu + 1/Ti2N(x2N))}·ai = ΦN (44a)
  • Für alle beteiligte Elemente K der Expofiltermaske bei einer temperaturinhomogenen Umgebung mit einer bekannten Anzahl von Störstrahlungstemperaturen M muss die maximale Anzahl der Änderungen der Temperaturkehrwerte K und die Anzahl der aufzulösenden Unbekannten (2N+M+M·N) betragen, woraus folgt, dass der breite Band maximal auf N = (K-M)/(2+M) schmale Bände der Breite (λ1-λ2)/N aufgeteilt werden kann. {ε1·f(1/Tt) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1) + .. + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM)} + .. + {εN·f(1/TN) + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1) + .. + + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM)} = Φ1 (45) {ε1·f(1/T1 + 1/T1) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1 + 1/T1) + .. + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM) + 1/T1}·a1 + .. + {εN·f(1/TN + 1/T1) + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1 + 1/T1) + .. + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM + 1/T1)}·a1 = Φ2 (46) {ε1·f(1/T1 + 1/T2) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1 + 1/T2) + .. + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM) + 1/T2}·a1 + .. + {εN·f(1/TN + 1/T2) + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1 + 1/T2) + .. + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM + 1/T2)}·a1 = Φ3 (47)... {ε1·f(1/T1 + 1/TK) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1 + 1/TK) + .. + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM) + 1/TK}·a1 + .. + {εN·f(1/TN + 1/TK) + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1 + 1/TK) + .. + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM + 1/TK)}·a1 = ΦK (48)
  • Im allgemeinen Fall für i > 1 wird das Gleichungssystem komplexer und wird deshalb in einer komprimierten Form folgendermassen dargestellt: {ε1·f(1/T1) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1) + .. + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM) + {εN·f(1/TN) + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1) + .. + + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM)} = Φ1 (45a) {ε1·f(1/T1 + 1/T11,21,31..N1(x1)) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1 + 1/T11,21,31..N1(x1)) + .. + + S1M·(1 – ε1)·f(1/TuM + 1/T11,21,31..N1(x1))} + .. + {ε1·f(1/TN + 1/T11,21,31..N1(x1)) + + SN1·(1 – εN)·f(1/Tu1 + 1/T11,21,31..N1(x1)) + .. + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM + 1/T11,21,31..N1(x1))} = Φ2 (46a)... {ε1·f(1/T1 + 1/T12,22,32..N2(x2)) + S11·(1 – ε1)·f(1/Tu1 + 1/T12,22,32..N2(x2)) + .. + + S1M·(1 – ε1)·fu(1/TuM + 1/T12,22,32..N2(x2))} + .. + {εN·fu(1/TN + 1/T12,22,32..N2(x2)) + + SN1·(1 – εN)·fu(1/Tu1 + 1/T12,22,32..N2(x2)) + .. + SNM·(1 – εN)·f(1/TuM + 1/dT12,22,32..N2(x2))} = Φ3 (47a) {ε1·f(1/T1 + 1/T1K,2K,3K..NK(xK)) + S11·(1 – ε1)·fu(1/Tu1 + 1/T1K,2K,3K..NK(xK)) + .. + + S1M·(1 – ε1)·fu(1/TuM + 1/T1K,2K,3K..NK(xK))} + .. + {εN·f(1/TN + 1/dT1K,2K,3K..NK(xK)) + + SN1·(1 – εN)·fu(1/Tu1 + 1/T1K,2K,3K..NK(xK)) + .. + SNM·(1 – εN)·fu(1/TuM + 1/T1K,2K,3K..NK(xK))}·a1 =ΦK (48a)wobei für eigene und reflektierte Strahlung unter f(1/T + 1/dT1,2,3..N(xi)) und fu(1/Tu1 + 1/dT1,2,3..N(xi)) mit 0 < i < K eine Summe verstanden wird.
  • Z.B. für i = 1 gilt: – f(1/T + 1/T1K,2K,3K..NK,(xK,)) = a1·f(1/T + 1/TtK(x1))+ a2·f(1/T + 1/T2K(x1)) + ... + aN·f(1/T + 1/TNK(x1)) (49) – fu(1/Tu1 + 1/T1K,2K,3K..NK,(xK,)) = a1·fu(1/Tu1 + 1/T1k(x1)) + a2· fu(1/Tu1 + 1/T2K(x1)) + ... + aN·fu(1/Tu1 + 1/TNK(x1)), (50)wobei x1 eine für jede Komponente der Reihe gleiche Dicke repräsentiert.
  • Die ganze Messstele besteht aus K Expofiltern, die sowie in (41–44) die K Unbekannten auflösen, d.h. in Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems sind sämtliche Expofilter beteiligt. Die aufzulösenden Werte ε, S und T können sich von einem zu anderem der K Expofilter unterscheiden.
  • In dieser Form tritt das Imaging Pyrometer als ein breitbandiges Imaging Strahlungspyrometer auf.
  • Für die Lösung des Gleichungssystems wird in allen bisherigen oben erwähnten Methoden der ganze Spektralband stets in mehrere schmale Spektralbände mittels enger Interferenzfilter aufgeteilt.
  • Im hier präsentierten Verfahren, wie es aus zwei letzten Gleichungssystemen (25–28, 25a–28a) hervorgeht, wird der ganze breite Spektralband analytisch in Form einer Summe mehrerer schmaler Spektralbände gezeigt, was bedeutet, dass die Spektralaufteilung des ganzen Bandes, die bisher mittels mehrerer Interferenzfilter verschiedener Spektralverhalten zu schaffen ist, alternativ mittels eines einzigen gleich spektral dispergierten Expofilters variabler Dicke (Keile) realisiert wird. Andere in diesem Verfahren bevorzugte technisch effektivere Lösung ist durch die oben erwähnte Expofiltermaske verwirklicht.
  • Wen man jeden aus der analytischen Aufteilung (45–48) erhaltenen schmalen Band einer weiteren Aufteilung unterzieht, dann sind die Unbekannten in (45–48) dementsprechend noch genauer bestimmt. Dabei kann die Lösung für den breiten Band nur als grobe bzw. für die schmale Bände als genaue angesehen werden. Die weitergehende Aufteilung würde zu unendlich vielen verfeinerten Lösungen führen, was den Aufbau eines sehr präzisen Spektralpyrometers ermöglicht.
  • Allgemein ist es bekannt, dass jede wirkliche Temperaturänderung des Messobjekts die Mitänderung des Emissionsgrades und Streufaktores nach sich zieht. Aus diesen Gründen bleibt sie unterbestimmt, solange keine spezielle Annahmen über das Temperaturverhalten des Emissionsgrades (Tank; Pat.USA No. 4,974,182) und des Streufaktors gesetzt werden, da nach jeder neuen vorgenommenen Temperaturänderung das Gleichungssystem immer wieder um neue temperaturabhängige Unbekannte erweitert wird.
  • In allen oben erwähnten Fällen lässt sich die Problematik der Unterbestimmung, wenn bei N Unbekannten nur N-1 (im erweiterten Falle der inhomogenen störenden Umgebung N-M) Gleichungen vorliegen, mittels der selbstständigen simulierten aktiven Änderungen des Temperaturkehrwertes beheben.
  • Dabei stellt die simulierte Aktion der aktiven Änderung des Temperaturkehrwertes das Ergebnis der Multiplikation der ursprünglichen Strahlung Φo(λ, To) (5) mit dem Transmis sionsgrad F(λ, x) (1) dar, und ist im monochromatischen Fall und für i = 1 auch ein Produkt der ursprünglichen Strahlung Φo(λ, To) (5) mit der Konstante K = a1·exp(–C2/λ·T(x)), was aber keine neue Gleichung in das Gleichungssystem einbringt, sondern beide Seiten der Gleichung nur um diese Konstante erweitert.
  • Da es sich in unserem Fall immer um einen Band (λ1-λ2) handelt, kann die Multiplikation der ursprünglichen Strahlung Φo(λ1, λ2, To) (7) mit F(λ, x) (1) nicht als Produkt der Strahlung Φo(λ1, λ2, To) mit der Konstante K interpretiert werden, was aus der unten angeführten Berechnung in der Gleichung (51) hervorgeht:
    Figure 00280001
    wo K(λ, T) selbst eine von λ und T abhängige Funktion K = f(λ, T) und somit für den polychromatischen Fall keine Konstante ist.
  • Das neue pyrometrische Kalibrierungsverfahren, das genau die klassiche pyrometrische Kalibrierung simuliert, geht gemäss Aufgabenteil h) direkt aus den Aufgabenlösungen a)–g) der ganzen Hauptaufgabe hervor.
  • Das Konzept der simulierten klassischen Kalibrierung ist schrittweise, ausgehend von drei Überlegungen aufgebaut.
  • Im ersten Schritt der pyrometrischen Kalibrierung werden die für das Imaging Pyrometer erforderliche mehrstufige aktive Temperaturänderungen des Kalibrierungsstrahlers erfüllt.
  • Die Rolle der mehrstufig zu ändernder Temperatur des Kalibrierungsstrahlers übernimmt die im optischen Übertragungskanal des Imaging Pyrometers eingebaute 2D-Expofiltermaske.
  • Im zweiten Schritt wird der Kalibrierungsstrahler mit der zu variierenden Temperatur durch den temperaturstabilisierten Schwarzstrahler konstanter Temperatur ersetzt.
  • Im dritten Schritt wird die unabhängige Temperaturmessung des Schwarzstrahlers realisiert, die laut dem aus den Aufgabenlösungen a)–g) ausgearbeiteten Temperaturmessverfahren berührungslos mit dem Imaging Pyrometer gemessen wird.
  • Somit simuliert das neue Kalibrierungsverfahren durch die unterschiedlich geschwächte Abstrahlung des Schwarzstrahlers, die nach dem Durchgang der unterschiedlich dicken Expofilter der 2D-Expofiltermaske zustande kommt und die aktive mehrstufige Herabsetzung der effektiven Temperatur des Kalibrierungsstrahlers simuliert, was exakt der klassischen pyrometrischen Kalibrierung entspricht.
  • Aus dem dritten Überlegungsschritt der Kalibrierung geht das mit dem Temperaturmessverfahren eng verbundene Konzept der Selbstkalibrierung hervor, wodurch das Imaging Pyrometer neben der Temperaturmessfunktion die Funktion der Selbstkalibrierung in sich vereinen lässt.
  • Da die berührungslose Temperaturmessung des Schwarzstrahlers gemäss dem in den Gleichungen (1–48) ausgearbeiteten Temperaturmessverfahren materialunabhängig und störungsfrei ist, kann der während der Kalibrierung benutzte Schwarzstrahler durch das Messobjekt ersetzt werden. Im Detail heisst es, dass wenn das in (15–21) behandelte inhomogene Messobjekt in der Rolle eines externen Kalibrierungsstrahlers fürs Imaging Pyrometer auftritt, bilden alle in (15–21) erzielten Ergebnisse hinsichtlich der simulierten aktiven Änderungen des ursprünglichen Temperaturkehrwertes 1/To und hinsichtlich ihrer in (1–48) beschriebener absoluter Temperaturwertmessungen eine Grundlage für die materialunabhängige und störungsfreie pyrometrische Selbstkalibrierung. Dabei werden die stufenweise simulierten aktiven Temperaturänderungen dT des Messobjekts aus der vorher gemessenen absoluten Temperatur To des Messobjekts und den stufenweise simulierten aktiven Änderungen des Temperaturkehrwerts T(x) der Expofilter unterschiedlicher Dicke abgeleitet. Aus der Gleichung Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) = Φo(λ1, λ2, (To + dT)) (53)wird dT und dementsprechend die materialabhängige und störungsfreie Kalibrierungskonstante KK = Φoeλ, λ2, 1/To)/Φo(λ1, λ2, 1/To) oder KK = Φoeλ1, λ2, (1/To + 1/T(x))/Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x))) (54,55)wobei Φo(λ1, λ2, (1/To), Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) nach (22) die Gesamtstrahlungsintensität und Φoe(λ1, λ2, (1/To), Φoe(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) ihre entsprechende und auf dem Imagedetektor des Imaging Pyrometers erzeugte elektrische Spannungen.
  • Aufgrund der räumlichen Verteilung der Expofilter auf der 2D-Expofiltermaske werden die erhaltenen variierenden Strahlungswerte und ihnen entsprechenden Temperaturkehrwerte mit den einzelnen räumlich getrennten Detektoren des 2D-Multidetektors erfasst, was zu Entstehung einer zweidimensionalen Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers führt.
  • D.h. dass KK = Φoe(λ1, λ2, 1/Toj)/Φo(λ1, λ2, 1/Toj) oder (56) KK = Φoe(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x))/Φo(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x))) (57)wobei Φo(λ1, λ2, (1/Toj), Φo(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x)) nach (22) die indexierte Gesamtstrahlungsintensitäten und Φoe(λ1, λ2, (1/Toj), Φoe(λ1, λ2, (1/Toj + 1/T(x)) ihre entsprechende und auf dem Imagedetektor des Imaging Pyrometers erzeugte indexierte elektrische Spannungen der Messstelle j des Messobjekts.
  • Dabei basieren die Kalibrierungskonstanten in (54–57), sowie in der Temperaturmessungsfunktion des Imaging Pyrometers, zur Auflösung des letzten Aufgabenteils i) auf dem gleichen Prinzip der simulierten aktiven Änderungen des Temperaturkehrwertes des Messobjekts und werden durch die spektral identischen variabel dicken Expofilter der Expofiltermaske realisiert.
  • Besteht die Expofiltermaske aus 100·100 Expofiltern, so ist der aktive Temperaturmessbereich des Imaging Pyrometers von der Temperatur des Messobjekts T1 bis zur unteren Temperaturmessgrenze T2 des Pyrometers auf 10000 Kalibrierungswerte digitalisiert.
  • Ist beispielsweise die obere Temperaturmessgrenze des Messobjekts durch T2 = 1000 K bzw. 1/T = 10–3 K–1 und die untere Grenze des Imaging Pyrometers durch T2 = 100 K bzw. 1/T = 10–2 K–1 bestimmt, wird sich die Kalibrierung auf den Bereich von 100–1000 K bzw. 10–3 bis 10–2 K–1 liegen. Dementsprechend würde die Temperaturauflösung bei der Kalibrierung (1000 – 100)/100·100 = 0,09 K betragen.
  • Je höher ist die Anzahl der beteiligten Expofiltern der Expofiltermaske, desto höher ist die Temperaturquantierung des Bandes und die damit verbundene Genauigkeit der Temperaturmessung bzw. Kalibrierung.
    •
  • Die Erfindung wird im Weiteren anhand beigefügter Zeichnungen detailliert erläutert:
  • 1 Das allgemeine Schema für die Erläuterung der konstruktiven verfahrensbasierten Aufbaumerkmale des Imaging Pyrometers.
  • 2 Abbildung der alternativen Ausführungen des verstellbaren Keiles des Imaging Pyrometers.
  • 3 Übersichtsdarstellung eines zweifunktionellen Imaging Pyrometers in seiner primären Funktion der Temperaturmessung und sekundären Funktion der Selbstkalibrierung.
  • 4 Schematische Abbildung der viereckigen 2D-Interferenzfiltermaske für das schmalbandige Imaging Teilstrahungspyrometer.
  • 4a Schematische Abbildung der alternativen ringförmigen 2D-Interferenzfiltermaske für das schmalbandige Imaging Teilstrahungspyrometer.
  • 5 Schematische Abbildung der viereckigen 2D-Interferenzfiltermaske für das Imaging Spektralpyrometer
  • 5a Abbildung der alternativen ringförmigen 2D-Interferenzfiltermaske für das Imaging Spektralpyrometer
  • 6 Schematische Abbildung des viereckigen Imagedetektors
  • 6a Schematische Abbildung des alternativen ringförmigen Imagedetektors
  • 7 Schematische Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske
  • 7a Schematische Abbildung der alternativen ringförmigen 2D-Expofiltermaske
  • 8 Detaillierte Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske mit Expofiltern
  • 8a Detaillierte Abbildung der alternativen ringförmigen 2D-Expofiltermaske mit Expofiltern
  • 9 Detaillierte Abbildung der viereckigen 2D-Expofiltermaske mit Expofaserfiltern
  • 9a Detaillierte Abbildung der alternativen ringförmigen 2D-Expofiltermaske mit Expofaserfiltern
  • 10 Abbildung des Verwandlungsverlaufes eines 2D-Temperaturbildes von dem Messobjekt über 2D-Expofilterfiltermaske zum Imagedetektor für das schmal- und/oder breitbandige Imaging Strahlungspyrometer
  • 11 Abbildung des Verwandlungsverlaufes eines 2D-Temperaturbildes von dem Messobjekt über den Interferenzfilter und die 2D-Expofilterfiltermaske zum Imagedetektor für das Imaging Spektralpyrometer
  • 12 Abbildung der kreisförmigen Ausführung der Bestandteile des optischen Kanals des Imaging Pyrometers.
  • Zuerst erläutert die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen 1, 2 die erste Beispielsausführung des Imaging Pyrometers:
  • 1 zeigt das allgemeine Schema für die Erläuterung der konstruktiven verfahrensbasierten Aufbaumerkmale des Imaging Pyrometers.
  • Das ganze Messprozess läuft so ab, dass die mit der Optik 2 aufgenommene und nach dem Durchgang einer der Interferenzfiltermaske 4a, 4b, 4c gefilterte ursprüngliche vom Messobjekt 1 ausgegangene Strahlung abhängig von der Position des Keiles 5 verschieden geschwächt auf jeden Detektor des Imagedetektors 6 trifft.
  • Die Interferenzfiltermaske 4a besteht aus einem schmalen Interferenzfilter, 4b mehreren spektralunterschiedlichen schmalen Interferenzfiltern, 4c einem breiten Bandpassfilter.
  • Dabei muss der Imagedetektor in schmalem Spektralband empfindlich genug sein, um seine Funktionalität sowohl in schmalem(n) als auch in breitem Spektrum der einfallenden Strahlung zu garantieren.
  • Jede für die Messung nötige nacheinander folgende Position des Keiles 5 ist eindeutig durch die Dicke jedes Expofilters (8–12), durch den bekannten Transmissionsgrad der bestimmten Änderung des aktuellen Temperaturkehrwertes des Messobjekts 1 und der aktuellen Temperaturkehrwerte aller Störstrahlungen zugeordnet.
  • Dazu kann wie in 2 abgebildet, Keil verschiedener Ausführung 18–23 eingesetzt werden. Die Keilen in Ausführung (18–20) können entweder in Form eines normalen monoliten Keiles 18 oder aus einzelnen gleichen Expofiltern unterschiedlicher Dicke bzw. Expofaserfiltern unterschiedlicher Länge zusammengesetztes mehrstufigen Keiles (19 bzw. 20) aus einem Filterglas bestehend gefertigt werden.
  • Dementsprechend kann auch der Keil in ringförmiger Ausführung (21–23) entweder aus einem normalem monoliten „ringförmigem Keil" 21 oder aus den Expofiltern unterschiedlicher Dicke bzw. Expofaserfiltern unterschiedlicher Länge zusammengesetztes mehrstufiges Keiles (22 bzw. 23) aus einem Filterglas bestehend gefertigt werden.
  • Die vertikale Verschiebung des Keiles 5 erfolgt so, dass jedes Element (8–12) (in 1 schematisch und in 8 detailliert dargestellt) der mehrstufigen Keile 5 elementabhängig an jeden Detektor (13–17) des Imagedetektors 6 (in 6 detailliert) kongruent angepasst wird, d.h., dass die Verschiebung des Keiles 5 immer um eine ganze Zeile von Elementen erfolgt. In der kreisförmigen Ausführung (12) ist der mehrstufige Keil 88, dessen Elemente gegenüber von den einzelnen Detektoren des Imagedetektors 86 platziert sind, um die Achse 87 nur um ganze Zahl von Elementen drehbar.
  • Dadurch wird in 1 in 1D-Projektion schematisch dargestelltes Imaging Pyrometer, abhängig von der schmal- oder breitbandigen austauschbaren Interferenzfiltermaske (4b), (4a, 4c), die vor dem verschieb- oder drehbaren mehrstufigen Keil 5 platziert wird, als ein Imaging Spektral- bzw. Strahlungspyrometer aufgebaut.
  • Weiter wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen 3–12 detailliert die zweite bevorzugte Beispielsausführung des Imaging Pyrometers erläutern:
    Der Messprozess in 3 läuft so ab, dass die mit der Optik 2 aufgenommene und nach dem Durchgang einer der Interferenzfiltermasken 4a, 4b, 4c gefilterte ursprüngliche vom Messobjekt 1 ausgegangene Strahlung abhängig vom Durchgang des Expofilters (8–12) der 2D-Expofiltermaske 29 geschwächt auf jeden Detektor (31–35) des Imagedetektors 30 trifft.
  • Alternativ zu der in 1 schematisch und in 8, 9 detailliert dargestellten verschieb- bzw. drehbaren 2D-Durchlassfiltermaske (Keil) wird eine statische eingesetzt. Jedes in 3 in 1D-Projektion abgebildete Expofilter (8–12) dieser 2D-Expofiltermaske 29 wird an den Imagedetektor 30 angelegt und kongruent an jeden Detektor 31–35 des Imagedetektors 30 angepasst.
  • 3 zeigt eine Übersichtsdarstellung des Imaging Pyrometers in seiner primären Funktion der Temperaturmessung bzw. der sekundären Funktion der Selbstkalibrierung mit Bezug auf die viereckige Ausführung der in 4–9 abgebildeten Bestandteile des optischen Kanals.
    • 1. Die Abbildungsoptik 2 dient zur Übertragung der vom Messobjekt 1 aufgenommenen Strahlung in den optischen Kanal 3.
    • 2. Optischer Kanal 3 besteht aus einer der drei austauschbaren Interferenzfiltermasken 4a, 4b, 4c, die unterschiedliche Interferenzfilter 24–28 enthält, einer Expofiltermaske 29 bestehend aus unterschiedlich dicken und gleich spektral dispergierten Expofiltern 8–12 und einem Imagedetektor 30 bestehend aus einzelnen gleichen Detektoren 31–35. Die einzelne Bestandteile des optischen Kanals 3 sind schematisch und detailliert entweder in viereckige (in 4–7 bzw. 8, 9) oder ringförmiger (in 4a–7a bzw. 8a, 9a) Ausführung dargestellt. In viereckiger Ausführung ist die Expofiltermaske 29 von Element zu Element 8–12 an die Multidetektore 31-35 des Imagedetektors 30 fest angelegt und kongruent angepasst. Die Anordnung der Bestandteile des optischren Kanals 3 ist für die kreisförmige Ausführung detailliert in 12 dargestellt.
    • 3. Die weitere ausführliche Erklärungen erfolgen für viereckige Ausführung. a.) Die in 3 unten abgebildete Interferenzfiltermaske (4a, 4c) ist aus einem für das schmalbandige Imaging Teilstrahlungspyrometer bzw. breitbandige Strahlungspyrometer (In 4 aus einem Interferenzfilter der Interferenzfiltermaske 45) oder (4b) aus mehreren unterschiedlichen Interferenzfiltern (In 5 beispielsweise bestehend aus 64 Interferenzfiltern der Interferenzfiltermaske 46) für das Imaging Spektralpyrometer zusammengestellt, die den ganzen breiten Band räumlich und spektral auf einzelne schmale nicht überlagerte Spektralbände und Messstellen aufteilen. (In 5a die Interferenzfiltermaske 48 besteht beispielsweise aus 8 Interferenzfiltern) b) Der in 6 schematisch abgebildete Imagedetektor 49 besteht aus einzelnen identischen 64 Detektoren, die sowohl im breiten als auch in engen Bänden spektral empfindlich genug für den Empfang sein müssen. (In 6a der Imagedetektor 51 besteht beispielsweise aus 8 Detektoren). c) Die in 7 schematisch abgebildete Expofiltermaske 50 besteht beispielsweise aus 64 spektral gleichen und verschieden dicken Interferenzfiltern. Die in 8 detailliert dargestellte Expofiltermaske 53 besteht beispielsweise aus 4 × 8 einzelnen planparallelen optischen gleich spezifisch spektral dispergierten Expofiltern, die mit zunehmender Dicke (1a, 1b, 1c) über die ganze aktive Fläche S = a·b verteilt sind. (In 8a die Expofiltermaske 52 besteht beispielsweise aus 8 Expofiltern). Als Alternative zu c) besteht die in 9 detailliert abgebildete Expofaserfiltermaske 55 aus beispielswesie 4 × 8 einzelnen optischen gleich spezifisch spektral dispergierten Expofaserfiltern, die mit zunehmender Länge (1a, 1b, 1c) über die ganze aktive Fläche S = a·b verteilt sind. (In 9a Expofaserfiltermaske 56 besteht beispielsweise aus 10 Expofaserfiltern).
    • 4. Entsprechend der 3 trifft auf jedes Element des Imagedetektors 16 zuerst eine mit der austauschbaren Interferenzfiltermaske 4a, 4b, 4c gefilterte und danach mit Expofiltermaske 29 um einen Temperaturkehrwert gesunkene Strahlung des Messobjekts 1. Auf die austauschbare Interferenzfiltermaske wird grafisch mit dem Zeichen „j" hingewiesen.
    • 5. 10 zeigt detailliert für das schmal- oder breitbandige Imaging Strahlungspyrometer begrenzt auf eine Zeile der Expofiltermaske den Vorgang der Verwandelung der ursprünglichen abgebildeten Temperaturverteilung. Die ursprüngliche durch Kurve a abgebildete 1D-Temperaturverteilung des Messobjekts 57 ergibt nach dem Durchgang des Interferenzfilters 58 mit einem durch Kurve b dargestellten spektralneutralen Transmissionsgrad eine gefilterte aber keine geänderte Temperaturverteilung. Nach erfolgtem Durchgang simuliert der anhand der Expofilter 72–78 der Expofiltermaske 59 von Element zu Element stufenweise abnehmender Transmissionsgrad (Kurve c) ein Temperaturbild stufenweise abgesetzter Temperatur. Dieser 1D-Endtemperaturbild wird auf die Detektore (79–85) des Imagedetektors 60 (Kurve d) projiziert.
    • 6. 11 zeigt detailliert für das mehrbandige Imaging Spektralpyrometer begrenzt auf eine Zeile der Expofiltermaske den Vorgang der Verwandelung der ursprünglichen abgebildeten Temperaturverteilung. Die ursprüngliche durch Kurve e abgebildete 1D-Temperaturverteilung des Messobjekts 61 ergibt nach dem Durchgang den Interferenzfiltern 65–71 der Interferenzfiltermaske 62 mit einem durch Kurve f dargestellten spektralneutralen Transmissionsgrad eine verschieden gefilterte aber keine geänderte Temperaturverteilung. Nach erfolgtem Durchgang simuliert der anhand der Expofilter 72–78 der Expofiltermaske 63 von Element zu Element stufenweise abnehmender Transmissionsgrad (Kurve g) ein Temperaturbild stufenweise abgesetzter Temperatur. Dieser 1D-Endtemperaturbild wird auf die Detektore (79–85) des Imagedetektors 64 (Kurve h) projiziert.
    • 7. Wie es aus 3 hervorgeht, werden alle elektronisch eingelesene Signale von den Detektoren 31–35 des Imagedetektors 30 mittels des A/D Multiumwandlers 36 simultan digitalisiert und ins Buffer 37 geschickt.
    • 8. Im Buffer 37 wird der gespeicherte Signalarray für die Temperaturmessung oder Selbstkalibrierung an den Rechnungsblock 39 weitergeleitet.
    • 9. Das Imaging Pyrometer kann nach Umschalten mit dem Schalter 38 in zwei Moden (A, B) betrieben werden, die den Rechnungssoftwares 40 und 41 im Rechnungsblock 38 zugeordnet sind. Die Software 41 ist dabei für die Kalibrierung des Imaging Pyrometers und die Software 40 für die Temperaturmessung vorgesehen, was nur sequentiell erfolgen kann.
    • 10. Mit der Software 40 wird für die Temperaturmessung im Modus (A) anhand aller vom Buffer 37 abgesandten elektrischen Signalen ein Gleichungssystem aufgestellt und mit einem vorprogrammierten Algorithmus aufgelöst. Die daraus errechneten Temperaturen werden an eine spezielle Software 42 weitergeleitet, die der Formierung und Abbildung des wahren 2D-Temperaturbildes am PC 44 dient.
    • 11. Für die Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers (Schalter 38 im Modus (B)) wird aus der bekannten Temperatur der Messstelle des Messobjekts 1, die gegenüber dem entsprechenden Expofilter liegt, und den bekannten unterschiedlichen Transmissionsgradwerten jedes Expofilters (8–12) stets unterschiedliche simulierte Temperaturen der Messstelle des Messobjekts abgeleitet.
  • Die Temperaturen verschiedener Messstellen des Messobjekts 1 erhält man vorher gemäss Punkt 11 mit dem Schalter 38 im Modus (A) der Temperaturmessung, die von Software 42 über PC 44 in die Software 41 für die Sebstkalibrierung weitergegeben werden.
  • Die Werte des Transmissionsgrades jedes Expofilters werden in der Software 41 gespeichert. Anhand der mit der Software 41 jedem Expofilter (8–12) zugeordneten Temperaturwerten wird mit spezieller Bildbearbeitungssoftware 43 an PC 44 ein kalibriertes 2D-Temperaturbild geschaffen. Das erhaltene 2D-Temperaturbild wird mit der Software 43 mit einem von Software 41 gelieferten Mustertemperaturbild verglichen.
  • Die jedem Expofilter aufgrund des Temperaturbildvergleichs zugeordnete Abweichung vom Mustertemperaturbild wird in der Bildbearbeitungssoftware 43 gespeichert und als Korrektur für die Kalibrierung und die nachfolgende Temperaturmessungen berücksichtigt.
  • Somit ergibt sich zusammenfassend:
    • a) das Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren und das darauf aufbauende selbstkalibrierende Imaging Pyrometer ermöglichen in seiner primären Funktion der Temperaturmessung die gleichzeitige Bestimmung der Temperatur und des Emissionsgrades des inhomogenen Messobjekts, der Temperaturen und der Streufaktore der von diesem Messobjekt reflektierter Störstrahlungen und dadurch die materialunabhängige und störungsfreie Temperaturmessung in einem oder mehreren schmalen Spektralbänden oder einem breiten Spektralband. Die gleichzeitige Bestimmung aller dieser Unbekannten erfolgt durch die Lösung eines Gleichungssystems, das ausgehend von Messungen mehrerer, aus eigenen und reflektierten Störstrahlungen bestehenden Gesamtstrahlungen vom Messobjekt, aufgestellt wird. Mehrere Messungen der Gesamtstrahlung werden für die Erstellung und die Lösung des bisher unbestimmten Gleichungssystems ausgehend von mehreren simulierten aktiven Änderungen des aktuellen Temperaturkehrwert des Messobjekts und der aktuellen Temperaturkehrwerte sämtlicher vom Messobjekt reflektierter Störstrahlungen durchgeführt, die mittels aus gleich spezifisch spektral dispergierten und unterschiedlich dicken Durchlassfiltern bestehenden Durchlassfiltermaske realisiert werden. Dabei sind die Werte der simulierten aktiven Änderungen sowohl für den aktuellen Temperaturkehrwert des Messobjekts als auch für die aktuellen Temperaturkehrwerte sämtlicher vom Messobjekt reflektierter Störstrahlungen gleich 1/Ti(x) und ergeben sich simultan. Die ganze aktive Messfläche der Expofiltermaske wird dabei anhand einer an der Expofiltermaske angebrachten Interfernzfiltermaske, die aus verschiedenen Interferenzfiltern besteht, spektral und räumlich in verschiedene Spektralbände bzw. Messstellen aufgeteilt. Deswegen sind die aufzulösenden Unbekannten im Rahmen des aufgestellten Gleichungssystems räumlich und spektral auf der aktiven Fläche der Expofiltermaske verteilt und an jeden Expofilter der Expofiltermaske gebunden, wodurch das Pyrometer zu einem zweidimensionalen ortsaufgelösten imagebasierten Messungssystem in der Funktion eines Imaging Spektral- oder Strahlungspyrometers wird.
    • b) das Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren und darauf aufbauendes Imaging Pyrometer simuliert in seiner sekundären Funktion der Selbstkalibrierung mittels der aus den gleich spezifisch spektral dispergierten verschieden dicken Expofiltern bestehenden Expofiltermaske die stufige Herabsetzung der aktuellen Temperatur der auf den Imagedetektor des Imaging Pyrometers einfallenden Strahlung des externen Kalibrierungsstrahlers, der vom Messobjekt ersetzt wird. Die absolute Temperaturmessung des Messobjekts wird dabei nach a) bestimmt.
  • Dadurch wird die pyrometrische zweidimensionale materialunabhängige und störungsfreie Temperaturmesung Selbstkalibrierung abhängig von einer an der Expofiltermaske angebrachten Interferenzfiltermaske für ein Imaging Spektralpyrometer bzw. Imaging Strahlungspyrometer durchgeführt, wobei jeder Herabsetzung der aktuellen Temperatur des Messobjekts ein bestimmter Expofilter der Expofiltermaske zugeordnet wird.
  • Somit basiert das pyrometrische Temperaturmess- und Kalibrierungsverfahren sowohl für die Temperaturmessung als auch für die Selbstkalibrierung des Imaging Pyrometers auf dem gleichen Prinzip der simulierten aktiven Änderungen der aktuellen Temperatur des Messobjekts bzw. Kalibrierungsstrahlers und verwendet dafür die identische Expofiltermaske, wobei das darauf basierende Imaging Pyrometer für seine Selbstkalibrierung anstatt des Schwarzstrahlers das Messobjekt selbst verwendet.
    • 1
    Messobjekt
    2
    Optik
    3
    Optischer Übertragungskanal
    4a
    Interferenzfiltermaske bestehend aus einem Interferenzfilter
    4b
    Interferenzfiltermaske bestehend aus mehreren Interfernzfilter
    4c
    Interferenzfiltermaske bestehend aus einem Bandpassfilter
    5
    Optischer Keil
    6
    Imagedetektor
    7
    Achse des drehbaren Keiles 5
    8
    Expofilter der Expofiltermaske 29 oder Keiles 5
    13–17
    Detektoren des Imagedetektors 6
    18
    Monoliter optischer Keil
    19
    Mehrstufiger optischer Keil bestehend aus Expofiltern
    20
    Mehrstufiger optischer Keil bestehend aus Expofaserfiltern
    21
    Ringförmiger optischer Keil
    22
    Ringförmiger mehrstufiger Keil mit einem Expofilter
    23
    Ringförmiger mehrstufiger Keil mit mehreren Expofaserfiltern
    24–28
    Interferenzfilter der Interferenzfiltermaske 4b
    29
    Expofiltermaske
    30
    Imagedetektor
    31–35
    Detektore des Imagedetektors 30
    36
    Buffer
    37
    A/D Umwandler
    38
    Umschalter
    39
    Rechnungsblock
    40, 41
    Rechnungssoftwares für Temperaturmessung bzw. Kalibrierung
    42, 43
    Software für Temperatur- bzw. Kalibrierungsbilderfassung
    44
    PC

Claims (10)

  1. Verfahren zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Messobjektes (1), wonach Temperaturänderungen des Messobjektes (1) simuliert werden, wonach ferner die vom Messobjekt (1) reflektierte Strahlung spektral zerlegt wird, um Temperatur- und Emissionswerte materialunabhängig zu bestimmen, und wonach zwischen dem Messobjekt (1) und einem Detektor (6) ein optischer Übertragungskanal (3) mit einer Filtermaske (5; 8 bis 12) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Filtermaske (5; 8 bis 12) zur Simulation der Temperaturänderungen als zweidimensionale Durchlassfiltermaske (29) mit örtlich unterschiedlichen Durchlassgraden (Fλ(x)) ausgebildet ist, um – ein ortsaufgelöstes zweidimensionales Temperaturbild des Messobjektes (1) auf einem zweidimensionalen, aus mehreren gleichen Detektoren (31 bis 35) zusammengesetzten Imagedetektor (30) zu erzeugen, wobei – die einzelnen Durchlassgrade (Fλ(x)) für ein kalibriertes Temperaturbild gespeichert und bei der Temperaturmessung berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenweise simulierten aktiven Temperaturänderungen des Messobjektes (1) aus der vorher gemessenen absoluten Temperatur des Messobjektes (1) und der, anhand der speziellen unterschiedlich dicken Übertragungsstrecke(n) erzeugten, stufenweise simulierten aktiven Änderungen des Temperaturkehrwerts 1/T(x) abgeleitet und aus der Gleichung: Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) = Φo(λ1, λ2 (To + dT))errechnet werden, wobei Φo(λ1, λ2, (1/To + 1/T(x)) die im Spektralband λ1-λ2 temperaturreduzierte Gesamtstrahlungsintensität des Messobjektes (1) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale Durchlassfiltermaske (29) aus planparallelen Durchlassfiltern zunehmender Dicke besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 2D-Durchlassfiltermaske (29) aus Faserfiltern zunehmender Faserlänge aufgebaut ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale Durchlassfiltermaske (29) als Keil (5) ausgebildet ist, wobei die vom Messobjekt (1) ausgehende Strahlung abhängig von der Position des Keiles (5) unterschiedlich geschwächt auf die jeweiligen Detektoren (31 bis 35) des Imagedetektors (30) trifft.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Keil (5) im Vergleich zum Imagedetektor (30) verschieb- oder drehbar ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung zur berührunglosen gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad eines Messobjektes (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Temperaturänderungen des Messobjekt (1) mit Hilfe einer als zweidimensionale Durchlassfiltermaske (29) mit örtlich unterschiedlichen Durchlassgraden Fλ(x) ausgebildeten Filtermaske (5; 8 bis 12) simuliert werden, wobei ferner die vom Messobjekt (1) reflektierte Strahlung spektral mit Hilfe mit einer Interterenzfiltermaske (4a, 4b, 4c) zerlegt wird, um Temperatur- und Emissionswerte materialunabhängig zu bestimmen, wobei weiter zwischen dem Messobjekt (1) und einem Detektor (6) ein optischer Übertragungskanal (3) mit der Filtermaske (5; 8 bis 12) angeordnet ist, und wobei der Detektor (6) als zweidimensionaler, aus mehreren gleichen Detektoren (31 bis 35) zusammengesetzter Imagedetektor (30) ausgeführt ist und einzelne Durchlassgrade (Fλ(x)) für ein kalibriertes Temperaturbild gespeichert und bei der Temperaturmessung berücksichtigt werden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzfiltermaske (4a, 4b, 4c) aus einem oder mehreren Interferenzfiltern (4a, 4b, 4c) besteht und austauschbar gestaltet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der optische Übertragungskanal (3) aus der Interferenzfiltermaske (4a, 4b, 4c), der dahinter angeordneten zweidimensionalen Durchlassfiltermaske (29) und dem darauf folgenden Imagedetektor (30) zusammensetzt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassfiltermaske (29) und der Imagedetektor (30) jeweils ringartig ausgebildet sind.
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