DE3435802A1 - Pyrometer - Google Patents

Description

• Pyrometer.
• Die Erfindung betrifft ein Pyrometer zur berührungslosen Bestimmung der Temperatur eines Körpers, welches die vom Körper ausgehende IR-Strahlung in einem ausgewählten Frequenzbereich mißt und aus den Meßwerten die Körpertemperatur bestimmt. Derartige Pyrometer sind bekannt.
• Bekannte Geräte, die berührungslos die Temperatur eines Körpers bestimmen, arbeiten vornehmlich im Spektralbereich zwischen 0,2 und 40po, dem Bereich der Temperaturstrahlung. In vielen Fällen befindet sich während des Meßvorganges Luft zwischen dem Meßgerät und dem Meßobjekt. In dem genannten Spektralbereich ist die Erdatmosphäre nicht gleichmäßig transparent, so daß sich je nach dem zur Messung verwendeten Spektralbereich eine unterschiedlich große Dämpfung der vom Meßobjekt ausgesandten Strahlung ergibt, wodurch an dem Meßgerät eine entsprechend geringere Bestrahlungsstärke auftritt. Dadurch zeigt das Pyrometer eine falsche, nämlich zu niedrige Objekttemperatur an.
• Neben stark dämpfenden Spektralbereichen gibt es andere, in denen keine bzw. nur eine geringe Absorption auftritt.
• Diese Bereiche bezeichnet man als "atmosphärische Fenster".
• Die in der technischen Pyrometrie eingesetzten Meßgeräte messen vornehmlich die Strahlung, deren spektrale Zusammensetzung in diese atmosphärischen Fenster fällt. Auf diese Weise läßt sich die Temperatur grauer Strahler mit hinreichender Genauigkeit bestimmen, da graue Strahler für alle Wellenlängen den gleichen Emissionsgrad haben.
• Viele Meßobjekte sind jedoch keine grauen Strahler, sondern besitzen ganz spezifische Absorptions- und Transmissionsbanden. Um die Temperatur derartiger Meßobjekt zu erfassen, ist es erforderlich, auch in Spetralbereichen zu messen, in denen selbst bei kurzen Meßentfernungen schon erhebliche Meßfehler durch die Atmosphäre auftreten können. Zur Korrektur dieser Meßfehler sind in der Literatur bereits verschiedene Berechnungsmodelle vorgeschlagen.
• Bei den bekannten Modellen wird die atmosphärische Transmission für jeweils nur eine Wellenlänge mittels eines empirisch ermittelten Absorptionsmaßes berechnet. Für einen bestimmten Spektralbereich muß deshalb über die Wellenlängen dieses Spektralbereiches integriert werden.
• Hierbei wird das Planckche Gesetz für den Spektralbereich berücksichtigt.
• Dieser Rechenaufwand ist sehr groß, selbst beim Einsatz moderner Computer ergibt sich ein beachtlicher Zeitaufwand.
• Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art in einer Korrektur der durch atmosphärische Absorption hervorgerufenen Meßfehler, wobei die Korrektur in Echtzeit, das heißt während der für die Messung erfcrderlichen Zeit erfolgen und dabei nur einen geringen Aufwand benötigen soll.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Der weitaus größte Absorptionsanteii bei normalen atmosphärischen Gegebenheiten wird durch Wasserdampf verursacht. Die Absorption aller sonst vorkommenden Gase ist meßtechnisch von geringer Bedeutung. Daher wird erfindungsgemäß nur die Absorption durch Wasserdampf berücksichtigt.
• Durch die erfindungsgemäße Auswahl eines Spaktralbereiches, der dann konstant gehalten wird, und die Bildung der Mittelwerte über die Transmissionswerte kann mit einem er- findungsgemäßen Meßgerät praktisch dieselbe Meßgenauigkeit erzielt werden, wie mit dem bekannten und sehr aufwendigen Meß- und Recheflverfahren. Durch die Speicherung der Abhängigkeit der Transmission vom Absorptionsmaß wird außerdem erheblicher Rechenaufwand eingespart, da diese Abhängigkeit in einer komplizierten E-Funktion besteht, welche wiederum auch in einem modernen Computer eine erhebliche Rechenzeit bedingt.
• Die Erfindung ermöglicht eine rationelle Weiterbildung, bei der der ausgewählte Spaktralbereich sich aus Teilbereichen stark unterschiedlicher Transmission zusammensetzt und bei der die Transmissionswerte je Wellenlänge für die verschiedenen Teilspektralbereiche nach unterschiedlichen Formeln aus dem Absorptionsmaß berechnet sind. Dadurch entsteht weder ein größerer Aufwand im Gerät selbst noch ein größerer Zeitaufwand bei der Messung.
• Besonders einfach aufgebaut ist eine Ausführungsform, die zur Verstärkung des Meßwertes einen Verstärker enthält, dessen Verstärkungsfaktor der Transmission (t) umgekehrt proportional ist.
• Eine derartige Verstärkerkennlinie kann bei der Herstellung des Verstärkers bereits eingebaut oder durch einen angeschlossenen Mikrorechner eingegeben werden.
• Zur Berechnung der Transmission finden sich beispielsweise in The Infrared Handbook, Ausgabe 1978, zu beziehen über Office of Naval Research, Department of the Navy, Washington, DC vorteilhaft einsetzbare Methoden und Formeln. Insbesondere eignet sich die Aggregate Method auf den Blättern 5-24 bis 5-32 dieses Handbuchs. Dort sind die empirisch ermittelten Faktoren bis zu einer maximalen Wellenlänge > von etwa 30tun angegeben. Dieser Bereich ist für die zu messenden Temperaturen ausreichend, da oberhalb dieses Bereiches nur ein verschwindend geringer Energieanteil emittiert wird.
• Ohne störenden Fehler kann in vielen Fällen für die Dichte der Luft der Wert 1 gesetzt werden und von einer konstanten absoluten Luftfeuchte und von konstantem Druck zwischen dem Meßgerät und dem Meßobjekt ausgegangen werden. Dadurch vereinfachen sich die Formeln erheblich. Die Formel für das Strong-Line Goody Model, welches für die Spektralbereiche der Wellenlängen 1 bis 2µm und 4,3µm bis 15µm eingesetzt werden soll, erhält die Form Darin bezeichnet w* ein Absorptionsmaß, welches der Beziehung genügt. Darin sind K(A) ein empirisch ermittelter Faktor, welcher aus dem genannten Handbuch entnommen werden kann, M[gm-t die absolute Luftfeuchte, lEm die Meßweglänge, P[bar] der atmosphärische Druck und TEKJ die Temperatur; To = OOC = 273,16K; Po = Normaldruck = 105Pa.
• Für die Spektralbereiche 2 bis 4,3 und 15µm bis 30µm wird die Transmission nach dem Goody-Model unter der Berücksichtigung der oben genannten Vereinfachungen berechnet. Daraus ergibt sich die Formel Dabei genügt das Absorptionsmaß w der Formel w = M 10- 1 P To . (4) Po T In der Formel (3) stellt P eine vereinfachte Schreibweise dar und genügt der Formel p = Po . w (5) .
• W S Die in der Gelichung (3) enthaltenen Werte d und 5 v sind empirisch ermittelte Faktoren und können aus dem genannten Handbuch für jede einzelne Wellenlänge entnommen werden.
• Diese Transmissionswerte werden im vorgesehenen Wellenlängenbereich für alle die Werte berechnet, die in dem genannten Handbuch angegeben sind und in den Spektralbereich fallen, für den das jeweilige Berechnungsmodell gilt. Anschließend wird aus allen erhaltenen Transmissionswerten das arithmetische Mittel gebildet. Dieses arithmetische Mittel stellt die mittlere Transmission dar, die dem Absorptionsmaß w zugeordnet wird. Für diese Zuordnung wird das Absorptionsmaß s* des Strong-Line Goody Models in das Absorptionsmaß w des Goody Models umgerechnet. Dies ist durch einen Vergleich der Gleichung (2) mit Gleichung (4) ohne Schwierigkeiten möglich, da in beide Gleichungen dieselben Werte für die einzelnen Parameter einzusetzen sind.
• Diese Art der Berechnung der mittleren Transmission ergibt Werte hoher Genauigkeit, da bei der großen Zahl der berechenbaren Wellenlängen auch starke Schwankungen in der Transmission erfaßt und wegen der geringen Unterschiede benachbarterrte mit großer Näherung richtig gewichtet werden.
• Die Erfindung wird nun anhand von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen Blockschaltbilder von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung.
• Die Infrarotstrahlung trifft auf einen Detektor D und wird dort in elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden in einem Verstärker V verstärkt und einem Meßinstrument M zugeführt. Der Verstärker V hat einen veränderlichen Verstärkungsfaktor, welcher entsprechend dem Kehrwert der Transmissiont gesteuert wird. Zur Ermittelung der Transmissiontwerden dem Eingang E eines Operators Op die Werte für Temperatur T, Druck P, Entfernung des Objektes 1, die absolute Luftfeuchte M zugeführt. Der Operator Op berechnet aus diesen Werten ein Absorptionsmaß w und führt dieses einer Speichereinheit Sp zu. In der Speichereinheit Sp sind die dem Absorptionsmaß w entsprechenden mittleren Transmissionswerte gespeichert und werden dem Verstärker V zur Steuerung der Verstärkung gemäß dem Kehrwert der Transemission t zugeführt.
• Im Beispiel gemäß Fig. 2 wird einem Verstärker VSp das vom Operator 0p ermittelte Absorptionsmaß w unmittelbar zugeführt. Der Verstärker VSp besitzt eine vom ankommenden Absorptionsmaß w abhängige Verstärkerkennlinie, die der berechneten Funktion f(w) vntspricht, = f(w) entspricht.
• Gemäß der Erfindung ist also der Verstärkungsfaktor umso größer, je kleiner die Transmission bzw. je größer das Absorptionsmaß ist. Dadurch wird die Absorption der Atmosphäre kompensiert und die richtige Temperatur am Meßgerät M angezeigt.
• 3 Patentansprüche 2 Figuren - Leerseite -

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Pyrometer zum berührungslosen Bestimmen der Temperatur eines Körpers, welches die vom Körper ausgehende IR-Strahlung in einem ausgewählten Spektralbereich mißt und aus den Meßwerten die Körpertemperatur bestimmt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zusammenhang zwischen dem vom absoluten Wassergehalt der Atmosphäre abhängigen Absorptionsmaß und der Transmission für mehrere Wellenlängen des ausgewählten Spektralbereichs berechnet wird, daß aus den erhaltenen Transmissionswerten ein arithmetischer Mittelwert gebildet wird, daß die so errechnete mittlere Transmission des ausgewählten Spektralbereiches und das zugehörige Absorptionsmaß gespeichert werden, daß ein Operator vorgesehen ist, welcher aus der absoluten Luftfeuchte, der Temperatur und dem Druck der Atmosphäre und aus der Meßweglänge das Absorptionsmaß errechnet, dieses Absorptionsmaß dem Speicher zuführt und den zugehörigen Wert für die mittlere Transmission abfragt und daß ein Verstärker zur Verstärkung der von einem Infrarotdetektor kommenden Signale einen Verstärkungsfaktor aufweist, welcher veränderbar ist und daß dieser Verstärkungsfaktor proportional zum Kehrwert der mittleren Transmission verändert wird.
2. 2. Pyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der ausgewählte Spektralbereich sich aus Teilbereichen stark unterschiedlicher Transmission zusammensetzt und daß die Transinissionswerte jelGeLen-Gänze für die versduedenen Tpektrereie nach unterschiedlialen Formit aus dem Absorptionsmaß berechnet sind.
3. 3. Pyrometer nach einem der Anspruche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es zur Verstärkung der Meßwerte einen Verstärker enthält, dessen Verstärkungsfaktor sich proportional zum Kehrwert der Transmission ändert.