DE4134313A1 - Contactless infrared temp. measurement of body conducting heat - measuring infrared radiation emanating from body in two separate wavelength regions to determine surface and internal temp. - Google Patents
Contactless infrared temp. measurement of body conducting heat - measuring infrared radiation emanating from body in two separate wavelength regions to determine surface and internal temp.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Infrarot-Meßverfahren und eine Infrarot-Meßanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.The invention relates to an infrared measuring method and Infrared measuring arrangement according to the preamble of patent claim 1 or 4th
Bei bekannten Meßverfahren und -anordnungen, unter anderem auch solchen, die aus Genauigkeitsgründen gleichzeitig in unterschiedlichen Spektralbereichen arbeiten, wird die Temperaturverteilung an der festen Oberfläche eines im konvektiven Wärmeaustausch mit dem Umgebungsmedium stehenden Körpers auf der Basis des Stefan- Boltzmann'schen Strahlungsgesetzes aus der von der Oberfläche emittierten Wärmestrahlung unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses errechnet, wobei derartige Meßsysteme üblicherweise eine Wärmebildkamera zur Oberflächenabtastung und einen zugeordneten Bildschirm zur Grauton- oder Falschfarbendarstellung der Oberflächen-Temperaturverteilung enthalten. Die Feststellung der örtlichen Wärmestromdichte oder der konvektiven Wärmeübergangszahl (Nusselt-Zahl) ist mit den bekannten Meßsystemen jedoch nur bei instationären Wärmeströmungen auf der Grundlage der Fouriergleichungen möglich. Ist die Oberflächentemperatur hingegen zeitlich konstant oder ihre zeitliche Änderung innerhalb der zur Verfügung stehenden Meßdauer sehr klein, wie dies z. B. bei der experimentellen Untersuchung an Modellen von Raumfluggeräten in hypersonischen, intermittierend arbeitenden Hochenthalpie-Windkanälen der Fall ist, so ist man darauf angewiesen, im Inneren des Körpers mit einem definierten Abstand zur Körperoberfläche Temperaturfühler, z. B. Thermoelemente, zu implantieren, um auf diese Weise zusätzlich zur Oberflächentemperatur auch die Innentemperatur des Körpers und hieraus den lokalen Temperaturgradienten zur Ermittlung der örtlichen Wärmestromdichte und des Wärmeübergangs- Kennwertes an der Körperoberfläche bestimmen zu können. Eine solche Meßmethode ist mit einem großen Instrumentierungsaufwand verbunden und auf eine relativ grob gerasterte Meßpunkt-Anordnung beschränkt und führt im allgemeinen wegen der thermischen Störwirkung der Temperaturfühler etwa hinsichtlich des Wärmeleitkoeffizienten, zu einer höchst unerwünschten Verfälschung des Meßergebnisses.In known measuring methods and arrangements, among others those which, for reasons of accuracy, are used simultaneously in different Spectral ranges work, the temperature distribution on the solid surface in a convective heat exchange with body standing on the basis of the Stefan- Boltzmann's law of radiation from that of the surface emitted heat radiation taking into account the emission ratio calculated, such measuring systems usually a thermal imager for surface scanning and an associated one Screen for gray or false color display of the Surface temperature distribution included. The finding of the local heat flow density or the convective heat transfer coefficient (Nusselt number) is only with the known measuring systems for transient heat flows based on the Fourier equations possible. However, the surface temperature is temporal constant or their temporal change within the available standing measuring time very small, as z. B. in the experimental Investigation on models of spacecraft in hypersonic, intermittent high enthalpy wind tunnels the case is, one has to rely on the inside of the Body with a defined distance to the body surface temperature sensor, e.g. B. thermocouples, to implant on this In addition to the surface temperature, this also includes the internal temperature of the body and the local temperature gradients Determination of the local heat flow density and the heat transfer To be able to determine characteristic values on the body surface. Such Measurement method is associated with a great deal of instrumentation and a relatively roughly rastered measuring point arrangement limited and generally leads due to the thermal interference the temperature sensor, for example with regard to the coefficient of thermal conductivity, to a highly undesirable falsification of the measurement result.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren und eine Meßanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei stationären oder sich während der Meßdauer nur minimal ändernden Temperaturverhältnissen eine einfache, berührungs- und rückwirkungsfreie Messung sowohl der Oberflächentemperatur als auch des Temperaturniveaus an einer definierten Innenfläche des Körpers gewährleisten und dadurch eine problemlose Ermittlung des Wärmestroms sowie der konvektiven Wärmeübergangs-Kennwerte an der Körperoberfläche ermöglichen.The object of the invention is a measuring method and a measuring arrangement of the type mentioned at the outset, which also applies to stationary or only minimally changing temperature conditions during the measurement period a simple, non-contact and non-reactive Measurement of both the surface temperature and the temperature level ensure on a defined inner surface of the body and thereby a problem-free determination of the heat flow as well as the convective heat transfer parameters on the body surface enable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Meßverfahren bzw. die im Patentanspruch 4 gekennzeichnete Meßanordnung gelöst.This object is achieved according to the invention in claim 1 characterized measuring method or that characterized in claim 4 Measurement arrangement solved.
Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen, strahlungsspezifischen Ausbildung des Körpers in Verbindung mit einem hierauf spektralselektiv abgestimmten Mehrkanal-Meßgerät eine feste Zuordnung der in den einzelnen Infrarot-Wellenlängenbereichen ermittelten Temperaturwerte zu definieren, in Tiefenrichtung gestaffelten Bezugsflächen des Körpers, nämlich der Körperoberflächen und der Innenfläche der transparenten Teilzone, erhalten und dadurch auch bei stationären oder quasi-stationären Wärmeströmungen eine zuverlässige Bestimmung des Temperaturgradienten gewährleistet, ohne daß hierfür baulich und meßtechnisch problembehaftete Temperatursensoren im Körperinneren angeordnet werden müssen.According to the invention is due to the special, radiation-specific Training the body in connection with one on top of it spectrally selectively tuned multi-channel measuring device a fixed assignment the determined in the individual infrared wavelength ranges Define temperature values, staggered in the depth direction Reference surfaces of the body, namely the body surfaces and the inner surface of the transparent sub-zone, and therefore also with stationary or quasi-stationary heat flows ensures a reliable determination of the temperature gradient, without this being structurally and metrologically problematic Temperature sensors must be arranged inside the body.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Ermittlung der örtlichen Wärmestromdichte, die gemäß den Ansprüchen 2 und 5 nach Maßgabe der Temperaturdifferenz zwischen Oberflächen- und Innentemperatur des Körpers bestimmt wird. Im Gegensatz zu den bekannten rückwirkungsfreien Meßsystemen, bei denen der Wärmestrom allein aus den zeitlichen Änderungen der Oberflächentemperatur bestimmt wird, ergibt sich erfindungsgemäß bei Verwendung der Temperaturdifferenz als Bestimmungsgröße für die örtliche Wärmestromdichte der weitere Vorteil, daß der Störeinfluß der Hintergrundstrahlung und der Strahlungsverluste des Körpers weitgehend kompensiert und dadurch der rein durch Wärmeleitung und Konvektion erzeugte Wärmestrom erheblich genauer gemessen werden kann.Another essential aspect of the invention relates to the determination the local heat flow density, which according to claims 2 and 5 in accordance with the temperature difference between surface and internal body temperature is determined. In contrast to the known non-reactive measuring systems, in which the Heat flow solely from the changes in surface temperature over time is determined, results according to the invention when used the temperature difference as a determinant for the local Heat flow density the further advantage that the interference of Background radiation and the body's radiation losses largely compensated and therefore purely by heat conduction and Convection generated heat flow can be measured much more accurately can.
Eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß den Ansprüchen 3 bzw. 6 darin, daß aus dem erfindungsgemäß ermittelten lokalen Temperaturgradienten die örtliche Wärmeübergangs- Kennwerte zwischen der festen Körperoberfläche und einem strömenden Medium errechnet werden, aus denen sich dann - wegen der Ähnlichkeit von Wärmestrom- und hydrodynamischen Strömungsfeldern - die für viele strömungstechnische Anwendungsfälle, etwa bei Flugkörpern, wichtige Grenzschichtdicke des strömenden Mediums im Bereich der Körperoberfläche ergibt.A further, expedient embodiment of the invention exists according to claims 3 and 6 in that from the invention determined local temperature gradients the local heat transfer Characteristic values between the solid body surface and one flowing medium can be calculated, from which - because of the similarity of heat flow and hydrodynamic flow fields - that for many fluid power applications, for example for missiles, important boundary layer thickness of the flowing medium in the area of the body surface.
Gemäß Anspruch 7 schließlich wird zur Oberflächenabtastung des Körpers zweckmäßigerweise eine Mehrkanal-Wärmebildkamera mit einem zugeordneten Bildschirm zur visuellen, thermografischen Darstellung der Meßergebnisse, also z. B. der Verteilung des Temperaturgradienten oder der Wärmestromdichte, in Grautonwerten oder in Falschfarben verwendet.Finally, according to claim 7, the surface scanning of the Body expediently a multi-channel thermal imager with one assigned screen for visual, thermographic display the measurement results, e.g. B. the distribution of the temperature gradient or the heat flow density, in gray tones or in Wrong colors used.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine erfindungsgemäß ausgebildete Infrarot-Meßanordnung in stark schematisierter Darstellung.The invention will now be described using an exemplary embodiment With reference to the drawing explained. This shows in her single figure an infrared measuring arrangement designed according to the invention in a highly schematic representation.
Die gezeigte Infrarot-Meßanordnung dient dazu, durch zeitgleiche Messung zweiter, in Wärmestromrichtung q zueinander versetzter Temperaturwerte, To und Tu, die Verteilung des örtlichen Temperaturgradienten und hieraus der Wärmestromdichte an der Oberfläche 2 eines mit einem strömenden Medium M in konvektivem Wärmekontakt stehenden Körpers 4, z. B. eines in einem Hochenthalpie-Windkanal einer kurzzeitigen Hyperschallströmung ausgesetzten Flugkörpers, zu ermitteln.The infrared measuring arrangement shown serves, by simultaneous measurement of two temperature values, T o and T u , offset in relation to one another in the heat flow direction q, the distribution of the local temperature gradient and, therefrom, the heat flow density on the surface 2 of a body which is in convective thermal contact with a flowing medium M. 4 , e.g. B. to determine a missile exposed to a short-term hypersonic flow in a high enthalpy wind tunnel.
Zu diesem Zweck ist der Körper 4 in einer sich von der Oberfläche 2 bis zum Meßort der Temperatur Tu erstreckenden Teilzone 6 spektralselektiv in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierend und in einem hiervon abgegrenzten zweiten Infrarot- Wellenlängenbereich strahlungstransparent ausgebildet; im übrigen werden die physikalischen Eigenschaften des Körpers 4, insbesondere seine Oberflächenbeschaffenheit, seine Wärmeleitfähigkeit und sein Emissionsvermögen, durch die transparente Ausbildung der Teilzone 6 nicht verändert.For this purpose, the body 4 is designed to be radiation-absorbing in a partial zone 6 extending from the surface 2 to the measuring location of the temperature T u in a first infrared wavelength range and to be transparent to radiation in a second infrared wavelength range delimited therefrom; otherwise the physical properties of the body 4 , in particular its surface quality, its thermal conductivity and its emissivity, are not changed by the transparent design of the sub-zone 6 .
Hierdurch wird für die von der Oberfläche 2 ausgehende Wärmestrahlung eine feste Zuordnung zwischen dem Wellenlängenbereich und dem Emissionsort erreicht, dergestalt, daß die Strahlungsenergieanteile im ersten Wellenlängenbereich der festen Oberfläche 2 und die Energieanteile im zweiten Wellenlängenbereich der die Bezugsfläche für die Temperatur Tu bildenden Innenfläche 8 des Körpers 4 entstammen.This results in a fixed association between the wavelength range and the emission location for the thermal radiation emanating from the surface 2 , in such a way that the radiation energy components in the first wavelength range of the solid surface 2 and the energy components in the second wavelength range of the inner surface 8 forming the reference surface for the temperature T u of the body 4 originate.
Für die Oberflächenschicht 6 kommen zahlreiche Materialien in Betracht, beispielsweise Glas mit einer Schichtdicke von 1 bis 2 mm, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/mK und im Wellenlängenbereich zwischen 0,5 und 2,0 µm einen Transmissionsgrad von ca. 0,9 und im Wellenlängenbereich zwischen 5 und 6 µm einen Absorptionsgrad von nahezu 1 besitzt.Numerous materials come into consideration for the surface layer 6 , for example glass with a layer thickness of 1 to 2 mm, which has a thermal conductivity of approximately 1 W / mK and a transmittance of approximately 0.9 in the wavelength range between 0.5 and 2.0 μm and has an absorption level of almost 1 in the wavelength range between 5 and 6 µm.
Die Oberfläche 2 wird über einen einzigen optischen Weg gleichzeitig in beiden Wellenlängenbereichen mit Hilfe eines spektralselektiv auf die Teilzone 6 abgestimmten Zweikanal-Wärmebildgerätes 10 abgetastet. Dieses enthält ein optisches Linsensystem 12 zur Fokussierung des Infrarot-Strahlenbündels, sowie einen nachgeschalteten, halbdurchlässigen Spiegel 14 zur Aufspaltung des Strahlenbündels in zwei Teilbündel, die jeweils nach Passieren eines optischen Filters 16 bzw. 18 auf einen Infrarotdetektor 20 bzw. 22 auftreffen. Die beiden Filter 16 und 18 besitzen unterschiedliche, auf die spektralselektiven Materialeigenschaften der Teilzone 6 des Körpers 4 abgestimmte Spektralbereich, so daß die Wärmestrahlung der im Bildfeld des Bildgeräts 10 liegenden Oberfläche 2 von beiden Detektoren 20 und 22 simultan, aber jeweils im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich getrennt erfaßt wird. Als Detektoren 20, 22 sind jeweils thermische Detektoren oder für schnelle Vorgänge stickstoffgekühlte Quantendetektoren vorgesehen, die nach Art von Bildsensoren als Detektormosaike ausgebildet sind und im jeweiligen Wellenlängenbereich unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses der Ober- bzw. Innenfläche 2 bzw. 8 des Körpers 4 mit Hilfe eines Schwarzkörperstrahlers 24 geeicht werden, welcher über einen beweglichen Spiegel 26 in den Strahlengang eingeblendet wird. Hierdurch wird für jedes Element der Detektormosaike 20 und 22 eine Eichkurve der Temperatur als Funktion der auftreffenden Strahlungsintensität erhalten.The surface 2 is scanned simultaneously in both wavelength ranges using a single optical path with the aid of a two-channel thermal imaging device 10 which is spectrally selectively matched to the partial zone 6 . This contains an optical lens system 12 for focusing the infrared ray bundle, and a downstream, semi-transparent mirror 14 for splitting the ray bundle into two partial bundles, each of which strikes an infrared detector 20 or 22 after passing through an optical filter 16 or 18 . The two filters 16 and 18 have different spectral ranges, which are matched to the spectrally selective material properties of the sub-zone 6 of the body 4 , so that the heat radiation of the surface 2 lying in the image field of the image device 10 from both detectors 20 and 22 simultaneously, but in each case in the first and in the second Wavelength range is recorded separately. Thermal detectors or nitrogen-cooled quantum detectors are provided as detectors 20, 22, which are designed as detector mosaics in the manner of image sensors and in the respective wavelength range, taking into account the emission ratio of the upper and inner surfaces 2 and 8 of the body 4 with the aid of a Blackbody radiator 24 are calibrated, which is faded into the beam path via a movable mirror 26 . In this way, a calibration curve of the temperature as a function of the incident radiation intensity is obtained for each element of the detector mosaics 20 and 22 .
Auf diese Weise werden durch das Wärmebildgerät 10 die Temperaturen auf der Oberfläche 2 (über den Detektor 20) und gleichzeitig an der Innenfläche 8 des Körpers 4 (über den Detektor 22) gemessen. Dabei ist zu beachten, daß die Temperatur-Meßpunkte To1 und Tu1 eiones unter dem Winkel α schräg zur Oberflächennormalen N geneigten Wärmestrahls A nicht auf der Flächennormalen N liegen, sondern gegenüber dieser unter Berücksichtigung der Strahlenbrechung an der Oberfläche 2 seitlich zueinander versetzt sind. Um dennoch bezüglich der Flächennormalen deckungsgleiche Temperaturbilder zu erhalten, wird die Verteilung des Neigungswinkels α und der entsprechende seitliche Meßpunkt-Versatz in einer Recheneinheit 28 abgelegt, in der die jeweils von den Detektorelementen der Detektormosaike 20 und 22 gelieferten Meßsignale hinsichtlich flächennormaler Temperaturwertpaare To Tu korreliert werden.In this way, the thermal imaging device 10 measures the temperatures on the surface 2 (via the detector 20 ) and at the same time on the inner surface 8 of the body 4 (via the detector 22 ). It should be noted that the temperature measuring points T o1 and T u1 eiones at an angle α inclined to the surface normal N inclined heat beam A are not on the surface normal N, but are offset laterally relative to one another taking into account the refraction of rays on the surface 2 . In order to nevertheless obtain congruent temperature images with respect to the surface normals, the distribution of the inclination angle α and the corresponding lateral measurement point offset are stored in a computing unit 28 in which the measurement signals supplied by the detector elements of the detector mosaics 20 and 22 with respect to surface normal temperature value pairs T o T u be correlated.
Aus den so erhaltenen Ober- und Innenflächen-Temperaturwerten wird gleichzeitig in einer zusätzlichen Rechenstufe 30 die örtliche Wärmestromdichte in der Teilzone 6 errechnet und zwar unter Einbeziehung der Wärmeleitfähigkeit und der Schichtdicke der Teilzone 6, wobei die Schichtdicke entweder fest vorgegeben ist oder während der Oberflächenabtastung etwa im Wege einer Interferenzmessung, z. B. der vom Körper 4 ausgehenden Wärmestrahlung, ermittelt wird. Aus der Wärmestromdichte lassen sich in der Rechenstufe 30 die örtliche Wärmeübergangs-Kennwerte für die konvektive Wärmeübertragung zwischen dem strömenden Medium M und der Oberfläche 2 bestimmen.From the surface and inner surface temperature values obtained in this way, the local heat flow density in sub-zone 6 is calculated in an additional computing stage 30 , taking into account the thermal conductivity and the layer thickness of sub-zone 6 , the layer thickness either being predefined or during surface scanning, for example by means of an interference measurement, e.g. B. the thermal radiation emanating from the body 4 is determined. The local heat transfer characteristic values for the convective heat transfer between the flowing medium M and the surface 2 can be determined from the heat flow density in the computing stage 30 .
Auf einem Bildschirm 32 werden wahlweise die Ober- und Innenflächen- Temperaturverteilung oder der Verlauf der Temperaturdifferenz, To-Tu, bzw. des Temperaturgradienten an der Oberfläche 2, oder die Verteilung der örtlichen Wärmestromdichte oder der Wärmeübergangskennwerte in visueller, thermografischer Form in Grautonwerten oder Falschfarben dargestellt. Die Bilder können über eine Video-Schnittstelle aufgezeichnet werden.On a screen 32 , the surface and inner surface temperature distribution or the course of the temperature difference, T o -T u , or the temperature gradient on the surface 2 , or the distribution of the local heat flow density or the heat transfer parameters in visual, thermographic form in gray tone values or false colors. The images can be recorded via a video interface.
Claims (7)
der Körper (4) eine die Körperoberfläche 2 bildende, spektralselektive, in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierende und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Wellenlängenbereich strahlungstranspartente Teilzone (6) besitzt und an der Innenfläche (8) der Teilzone im zweiten Wellenlängenbereich strahlungsemittierend ausgebildet ist, und ein die von der Körperoberfläche ausgehende Wärmestrahlung getrennt in den beiden Wellenlängenbereichen ermittelndes Mehrkanal-Meßgerät (10) zur Bestimmung der Oberflächentemperatur (To) aus dem Strahlungsenergieanteil im ersten und der Innenflächentemperatur (Tu) aus dem Strahlungsenergieanteil im zweiten Wellenlängenbereich vorgesehen ist.4. Infrared measuring arrangement for determining the surface and the internal temperature of a body through which heat flows through heat conduction, characterized in that
the body ( 4 ) has a spectrally selective sub-zone ( 6 ) that forms the body surface e 2 , is radiation-absorbing in a first infrared wavelength range and radiation-transparent in a second wavelength range that is separate therefrom, and is radiation-emitting on the inner surface ( 8 ) of the sub-zone in the second wavelength range , and a multi-channel measuring device ( 10 ) which determines the heat radiation emanating from the body surface separately in the two wavelength ranges is provided for determining the surface temperature (T o ) from the radiation energy component in the first and the inner surface temperature (T u ) from the radiation energy component in the second wavelength range.
das Meßgerät (10) zur zeitgleichen Ermittlung der Oberflächen- und der Innenflächentemperatur (To, Tu) des Körpers (4) ausgebildet und an eine Recheneinheit (28, 30) zur Berechnung der Wärmestromdichte des Körpers in Abhängigkeit von den örtlichen Ober- und Innenflächen-Temperaturwerten sowie der Schichtdicke und der Wärmeleitfähigkeit der oberflächenbildenden Teilzone (6) angeschlossen ist. 5. Measuring arrangement according to claim 4, characterized in that
the measuring device ( 10 ) for the simultaneous determination of the surface and the inner surface temperature (T o , T u ) of the body ( 4 ) is formed and to a computing unit ( 28, 30 ) for calculating the heat flow density of the body as a function of the local surface and Inner surface temperature values and the layer thickness and the thermal conductivity of the surface-forming subzone ( 6 ) is connected.
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Also Published As
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|---|---|
| DE4134313C2 (en) | 1997-03-06 |
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