AT401971B - Thermography method - Google Patents
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- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
AT 401 971 BAT 401 971 B
Die Erfindung betrifft ein Thermografieverfahren zur genauen Temperaturmessung mittels Infrarotstrahlung mit Hilfe einer eigens zusammengesetzten Kalibriersubstanz mit bekanntem Emmissionsgrad.The invention relates to a thermography method for precise temperature measurement by means of infrared radiation with the aid of a specially composed calibration substance with a known emission level.
Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf hochgenaue Infrarot-Meßgeräte mit bildmäßiger Erfassung-(hochauflösende Thermografiegeräte) im IR-Strahlungsbereich von 8-14um Wellenlänge in den Bereichen Forschung, Industrietechnik, Medizintechnik, Bautechnik und Umwelttechnik.The field of application extends to high-precision infrared measuring devices with image-based acquisition (high-resolution thermography devices) in the IR radiation range of 8-14um wavelength in the areas of research, industrial technology, medical technology, construction technology and environmental technology.
Es ist bekannt, daß eine exakte Temperaturmessung mit Wärmebildgeräten oder Infrarptkameras-(= Thermografie) bisher nur dann möglich war, wenn der Emmissionsgrad des zu messenden Objektes bekannt war und bei der Messung berücksichtigt wurde.It is known that an exact temperature measurement with thermal imaging devices or infrared cameras - (= thermography) was previously only possible if the emissivity of the object to be measured was known and was taken into account in the measurement.
In der bisherigen Thermografie wurden die Werte für die Emmissionsgrade meist aus der Literatur herausgegriffen und damit gemessen. Es kam bei manchen Temperaturmessungen zu erheblichen Differenzen, die wiederum zu Folgefehlern führten.In previous thermography, the values for the emission levels were mostly extracted from the literature and thus measured. There were considerable differences in some temperature measurements, which in turn led to consequential errors.
Bei Überprüfung dieser Werte aus der Literatur mittels eines hochauflösenden Infrarot-Scanners stellte sich heraus, daß manche Werte unkorrekt waren und erhebliche Abweichungen aufwiesen. Weiters gibt es in der Literatur für ein- und denselben Stoff bei konstanter Temperatur differierende Emmissionsgrad-Angaben. Ein Teil dieser Fehlerquellen liegt sicherlich darin, daß diese Literaturangaben mit erheblich älteren und damit ungenaueren Geräten gemessen wurden.When these values from the literature were checked using a high-resolution infrared scanner, it was found that some of the values were incorrect and showed considerable deviations. Furthermore, there are different emissivity data in the literature for one and the same substance at constant temperature. Part of these sources of error is surely the fact that these references were measured with considerably older and therefore less precise devices.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß man allgemein die Objekte mit Ruß schwärzte, um einen Em-Grad von Em=0,9 zu erreichen. Die jedoch allgemein übliche Methode des Schwärzens des Objektes mit Ruß ist nach neuesten Forschungen nur mit großen Einschränkungen in den verschiedenen Temperaturbereichen verwendbar, wobei erhebliche Streuwerte auftreten können(Em:0,657 bis 0,982) und auch nicht jede Art von Ruß verwendbar ist. Ähnliche Nachteile haben sich bei schwarzen Lacken und anderen Beschichtungsmaterialien herausgestellt, die überdies nicht temperaturbeständig als auch ungeeignet für biologische Systeme sind-(krebserregend).In this connection it is known that the objects were generally blackened with soot in order to achieve an Em degree of Em = 0.9. According to the latest research, the generally common method of blackening the object with soot can only be used with great restrictions in the various temperature ranges, whereby considerable scatter values can occur (Em: 0.657 to 0.982) and not every type of soot can be used. Similar disadvantages have emerged with black paints and other coating materials, which are also not temperature-resistant and unsuitable for biological systems (carcinogenic).
Weiters ist bekannt die Methode der Anbohrung von Materialien, wodurch ein annähernd Schwarzer Strahler für einen Punkt gebildet werden kann. Diese Methode ist jedoch bei einer größeren Erfassung von Temperaturflächen indiskutabel und hauptsächlich für Pyrometer geeignet(Ausführung in: Konrad Stahl, Gerhard Miosga, Infrarottechnik, Hüthig-Verlag Heidelberg, 1986,2.AufIage)-Einzelpunktmessung.The method of tapping materials is also known, as a result of which an approximately black radiator can be formed for a point. However, this method is out of the question for a larger measurement of temperature areas and is mainly suitable for pyrometers (version in: Konrad Stahl, Gerhard Miosga, infrared technology, Hüthig-Verlag Heidelberg, 1986, 2nd edition) single point measurement.
Als bisheriger Stand der Technik sei die japanische Patentanmeldung Nr.JP-59-225321 genannt. Diese Anmeldung beschreibt ein Meßverfahren im Bereich von 8um-12um, dessen unbedingte Erfordernisse eine Fiberoptik, eine vordefinierte Ummantelung zur Bildung einer Art Schwarzen Strahler und eine Emmissionssubstanz(metallischer Art mit Em = 0,90 oder mit Kohlenstoff Em=0,81) beinhalten. Die Anwendung dieser Emmissionssubstanz ist für den Einsatz in einem für sich geschlossenen Körper bestimmt. Dazu ist dieses Meßverfahren der Patentschrift nicht für Messungen an unebenen Flächen vorgesehen, da die Ummantelung nur ebene Flächen vorsieht. Eine Einschränkung ist hier weiter durch den Temperaturbereich gegeben, dessen Em-Werte für genau 100'C definiert sind. Messungen über 100°C sind kaum sinnvoll, da sich hierbei die Em-Werte dieser Stoffe gravierend ändern. Der Einsatz umfaßt hier nur Temperaturmessungen in einem Lokalbereich nicht größer als der Durchmesser der optischen Faser, sodaß Aussagen nur punktuell und nicht flächenhaft-im Gegensatz zur Thermografie-getroffen werden können.Japanese Patent Application No. JP-59-225321 may be cited as prior art. This application describes a measuring method in the range of 8 µm-12 µm, the unconditional requirements of which include fiber optics, a predefined sheathing to form a type of black radiator and an emission substance (metallic type with Em = 0.90 or with carbon Em = 0.81). The application of this emission substance is intended for use in a closed body. For this purpose, this measuring method of the patent is not intended for measurements on uneven surfaces, since the sheathing only provides flat surfaces. Another limitation is the temperature range, whose Em values are defined for exactly 100'C. Measurements above 100 ° C hardly make sense, since the Em values of these substances change dramatically. The use here only includes temperature measurements in a local area not larger than the diameter of the optical fiber, so that statements can only be made punctually and not over a wide area - in contrast to thermography.
Eine weitere Unsicherheit bei diesem Meßverfahren ist durch den unbestimmten Einfluß der Ummantelung des Hohlraumkörpers und der metallischen inneren Beschichtung gegeben, wobei durch Reflexionen und Spiegelungen Abweichungen vom Meßwert entstehen können. Weitere Bedenken bei diesem Verfahren entstehen durch den inneren thermischen Widerstand der Fiberfaser und deren eigenem Emmissionsgrad.A further uncertainty in this measuring method is due to the indefinite influence of the sheathing of the cavity body and the metallic inner coating, whereby deviations from the measured value can arise due to reflections and reflections. Further concerns with this process arise from the internal thermal resistance of the fiber and its own emissivity.
Entsprechend liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses Thermografieverfahren zu entwickeln, das eine hochgenaue Messung der Oberflächentemperatur an allen Flächen ohne Einschränkung in enge Temperaturbereiche oder Gebrauch von Schwarzen Strahlern o.ä. gestattet.Accordingly, the object of the invention is to develop a non-contact thermography method which enables highly accurate measurement of the surface temperature on all surfaces without restriction into narrow temperature ranges or the use of black radiators or the like. allowed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine neu zusammengesetzte Kalibriersubstanz mit einem Gesamtemmissionsgrad von Em:0,929 im IR-Meßbereich von 8-14um für den Temperaturbereich von -50'C bis +200*0, bestehend bei je 10 Gewichtsteilen Kalibriersubstanz -aus 1 Gewichtsteil Holzkohlenpulver(Holzkohle vom Pfaffenhütchenstrauch-fein gemahlen) mit Em:0,967 , 1 Gewichtsteil K2S1O3(Kaliwasserglas) mit Em:0,969 , 1 Gewichtsteil Ölruß(verwendetes Öl: Rapsöl) mit Em:0,978 , 5 Gewichtsteilen Glaspulver weiß(fein gemahlen) mit Em:0,914 und 2 Gewichtsteilen Kaolin weiß {[AI(OH)2]-’^MSiaOs)2- Kaolinit weiß) mit Em:0,903, hergestellt, in genau bekannter Fläche und Stärke auf das zu messende Objekt aufgebracht wird, daß das Thermografiegerät oder IR-Gerät auf diese mit der Kalibriersubstanz versehene Meßfläche fokussiert und einkalibriert wird, und daß jeder Meßwert, auf den in der abschließenden Interpretation der Messung Bezug genommen wird, im Bereich um die Meßfläche gemäß den Werten der Kalibrierfläche korrigiert wird. 2This object is achieved according to the invention in that a newly composed calibration substance with a total emissivity of Em: 0.929 in the IR measuring range of 8-14 μm for the temperature range from -50'C to + 200 * 0, consisting of 10 parts by weight of calibration substance -of 1 Part by weight of charcoal powder (charcoal from Pfaffenhütchenstrauch-finely ground) with Em: 0.967, 1 part by weight K2S1O3 (potash water glass) with Em: 0.969, 1 part by weight of oil soot (oil used: rapeseed oil) with Em: 0.978, 5 parts by weight of glass powder white (finely ground) with Em : 0.914 and 2 parts by weight of kaolin white {[AI (OH) 2] - '^ MSiaOs) 2-kaolinite white) with Em: 0.903, produced, applied to the object to be measured in a precisely known area and thickness that the thermography device or IR device is focused and calibrated onto this measuring surface provided with the calibration substance, and that every measured value referred to in the final interpretation of the measurement is in the range around the measuring surface is corrected according to the values of the calibration surface. 2nd
AT 401 971 BAT 401 971 B
Damit ist es erfindungsgemäß möglich, ein berührungsloses Infrarot-Meßverfahren zur genauen Temperaturmessung bei einem Temperaturbereich von -50 ”C bis + 200’C im flächenhaften Bereich auszuführen, wobei die nunmehr bekannte Emmissions-Substanz mit konstantem Em-Grad in genau definierten Meßstreifen oder -flächen aufgebracht, die Kalibrierung des IR-Meßgerätes damit durchgeführt und die Messung 5 damit in Bezug gesetzt wird.It is therefore possible according to the invention to carry out a non-contact infrared measuring method for precise temperature measurement at a temperature range from -50 ”C to + 200'C in the area, the now known emission substance with constant Em degree in precisely defined measuring strips or applied surfaces, the calibration of the IR measuring device is carried out and the measurement 5 is related.
Als Vorteile der Erfindung ergeben sich,daß zur Kalibrierung des IR-Meßgerätes bezüglich Referenzmessung keine Hohlkörperbildung für einen Schwarzen Strahler notwendig ist, keine Oxydationsschritte während des Meßvorganges ablaufen und im angegebenen Temperaturbereich ein konstanter Emmissions-grad vorliegt. Dadurch wird erfindungsgemäß eine rasche temperaturgenaue Thermografiemessung im io Bereich von -50’C bis +200Ό möglich. Komplizierte Umrechnungen und Formelbildungen für verschiedene Stoffe entfallen demnach und werden am Scannermonitor durch sofortige Meßwertbekanntgabe angezeigt.The advantages of the invention are that for the calibration of the IR measuring device with regard to reference measurement, no hollow body formation is necessary for a black body, no oxidation steps take place during the measuring process and a constant emission level is present in the specified temperature range. According to the invention, this enables rapid, temperature-accurate thermography measurement in the range from -50'C to + 200Ό. Complicated conversions and formulas for different substances are therefore no longer necessary and are displayed on the scanner monitor through immediate announcement of the measured values.
Weiters wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine neu zusammengesetzte Kalibriersubstanz mit einem Gesamtemmissionsgrad von Em:0,927 im IR-Meßbereich von 8um-14u.m für den Temperaturbereich von iS +200'C bis + 2000°C, bestehend bei je 10 Gewichtsteilen Kalibriersubstanz -aus 1 Gewichtsteil Holzkohlenpulver(Holzkohle vom Pfaffenhütchenstrauch-fein gemahlen) mit Em:0,967, 1 Gewichtsteil MgO-(Magnesiumoxyd) mit Em:0,953, 1 Gewichtsteil Ölruß(verwendetes Öl: Rapsöl) mit Em:0,978, 5 Gewichtsteilen Glaspulver weißffein gemahlen) mit Em:0,914 und 2 Gewichtsteilen Kaolin weiß( Ton aus Karlstetten i Österreich-{[AI(0H)2]1*)2(Si2 0s)2- Kaolinit weiß) mit Em:0,903, hergestellt, in genau bekannter Fläche und 20 Stärke auf das zu messende Objekt aufgebracht wird, daß das Thermografiegerät oder IR-Gerät auf diese mit der Kalibriersubstanz versehene Meßfläche fokussiert und einkalibriert wird, und daß jeder Meßwert, auf den in der abschließenden Interpretation der Messung Bezug genommen wird, im Bereich um die Meßfläche gemäß den Werten der Kalibrierfläche korrigiert wird.Furthermore, the problem is solved in that a newly composed calibration substance with a total emissivity of Em: 0.927 in the IR measuring range of 8 µm-14 µm for the temperature range from iS + 200'C to + 2000 ° C, consisting of 10 parts by weight of calibration substance -from 1 part by weight of charcoal powder (charcoal from the Pfaffenhütchen shrub, finely ground) with Em: 0.967, 1 part by weight of MgO (magnesium oxide) with Em: 0.953, 1 part by weight of oil soot (oil used: rapeseed oil) with Em: 0.978, 5 parts by weight of glass powder, finely ground white with Em: 0.914 and 2 parts by weight of kaolin white (clay from Karlstetten in Austria - {[AI (0H) 2] 1 *) 2 (Si2 0s) 2-kaolinite white) with Em: 0.903, manufactured, in a precisely known area and 20 Strength is applied to the object to be measured, that the thermography device or IR device is focused and calibrated onto this measuring surface provided with the calibration substance, and that each measured value is based on the reference in the final interpretation of the measurement g is taken, is corrected in the area around the measuring surface according to the values of the calibration surface.
Damit ist es erfindungsgemäß möglich, ein berührungsloses Infrarot-Meßverfahren zur genauen Tempe-25 raturmessung bei einem Temperaturbereich von +200*0 bis + 2000 “C im flächenhaften Bereich auszuführen, wobei die nunmehr bekannte Emmissions-Substanz mit konstantem Em-Grad in genau definierten Meßstreifen oder -flächen aufgebracht, die Kalibrierung des IR-Meßgerätes damit durchgeführt und die Messung damit in Bezug gesetzt wird.It is therefore possible according to the invention to carry out a non-contact infrared measurement method for precise temperature measurement at a temperature range of + 200 * 0 to + 2000 “C in the area, the now known emission substance with a constant Em degree being precisely defined Measuring strips or surfaces are applied, the calibration of the IR measuring device is carried out and the measurement is related to it.
Als Vorteile der zweiten Erfindung ergeben sich, daß zur Kalibrierung des IR-Meßgerätes bezüglich 30 Referenzmessung keine Hohlkörperbildung für einen Schwarzen Strahler notwendig ist, keine Oxydationsschritte während des Meßvorganges ablaufen und im angegebenen Temperaturbereich ein konstanter Emmissionsgrad vorliegt. Dadurch wird erfindungsgemäß eine rasche temperaturgenaue Thermografiemessung im Bereich von +200"C bis + 2000'C möglich. Komplizierte Umrechnungen und Formelbildungen für verschiedene Stoffe entfallen demnach und werden am Scannermonitor durch sofortige Meßwertbe-35 kanntgabe angezeigt.The advantages of the second invention are that for the calibration of the IR measuring device with respect to the reference measurement, no hollow body formation is necessary for a black body, no oxidation steps take place during the measuring process and there is a constant emission level in the specified temperature range. According to the invention, this enables rapid, temperature-accurate thermography measurement in the range from + 200 ° C to + 2000'C. Complicated conversions and formulas for different substances are therefore no longer necessary and are displayed on the scanner monitor by immediate notification of the measured values.
Vorteilhafterweise wird die jeweilige Kalibriersubstanz auf das Objekt mittels Düse für genau definierten Flächen als Kalibrierstreifen oder mittels Stempeln mit definierten quadratischen Seitenlangen in einer Aufbringungsstärke von maximal 0,5mm aufgebracht.The respective calibration substance is advantageously applied to the object by means of a nozzle for precisely defined areas as calibration strips or by means of stamping with defined square side lengths with an application thickness of at most 0.5 mm.
Diese Kalibriersubstanz, nach deren Zusammensetzung jahrelang geforscht wurde, hat folgende Cha-40 rakteristika aufzuweisen: a) temperaturbeständig in großen Bereichen b) für biologische Systeme unbedenklich ^elektrischer Isolator d)leichte Herstellung 45 e)wieder entfernbar f) thermisch gut leitend g) konstanter Emmissionsgrad im Bereich von 8um-14um h) Reprodozierbarkeit der Messung durch gleichmäßiges Substanzgemenge i) fein verteilbar und aufsprühbar mit Druckluftdüse oder auftragbar mit Kalibrierstempeln so Die Em-Werte für die im Anspruch genannten Zusammensetzungen wurden mittels hochgenauer Scanner im Em-Ermittlungsverfahren festgestellt und über den ganzen angegebenen Temperaturbereich hin überprüft. Diese Em-Werte sind auf 1/1000 genau bestimmt.This calibration substance, the composition of which has been researched for years, has the following characteristics: a) temperature resistant in large areas b) harmless to biological systems ^ electrical insulator d) easy manufacture 45 e) removable f) thermally good conductivity g) constant Emissivity in the range of 8um-14um h) Reproducibility of the measurement by uniform mixture of substances i) Finely distributable and sprayable with a compressed air nozzle or can be applied with calibration stamps so The Em values for the compositions mentioned in the claim were determined using a highly accurate scanner in the Em determination process and via the checked the entire specified temperature range. These Em values are determined to the nearest 1/1000.
Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: 1. Herstellung der Kalibriersubstanz für die Temperaturbereiche 55 -50 · C bis + 200 · C und + 200 · C bis + 2000 * C . 2. Aufbringung der Kalibriersubstanz mittels Druckluftdüsen oder Stempeln. Als Ausführungsform der Düse wird eine Flachstrahldüse verwendet, deren Ausstrahlbreite mit 2cm begrenzt ist. Als Treibmittel istThe method comprises the following steps: 1. Production of the calibration substance for the temperature ranges 55 -50 · C to + 200 · C and + 200 · C to + 2000 * C. 2. Application of the calibration substance using compressed air nozzles or stamps. A flat jet nozzle is used as the embodiment of the nozzle, the jet width of which is limited to 2 cm. As a blowing agent
Druckluft vorgesehen. Die Ausführungsform der Stempeln ist quadratisch, wobei die Seitenlängen 3Compressed air provided. The embodiment of the stamps is square, with the side lengths 3
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