DD229213A5 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen, emissionsgradunabhaengigen strahlungsmessung der temperatur eines objektes - Google Patents

Abstract

Es ist ein Verfahren zur beruehrungslosen, emissionsgradunabhaengigen Strahlungsmessung der Temperatur von Objekten geschaffen. Bei diesem Verfahren nimmt das jeweilige Objekt zwei, drei oder mehr verschiedene Temperaturen an (oder auf zwei oder mehr Temperaturen gebracht wird oder diese selbst einnimmt), und in vier oder mehr Spektralbereichen im infraroten und/oder sichtbaren Wellenlaengenbereich werden jeweils Strahlungsmessungen der vom Objekt ausgehenden Strahlung durchgefuehrt. Aus diesen Messwerten werden exakt oder sogar ausgleichend die jeweiligen Objekttemperaturen sowie ebenso alle uebrigen unbekannten Groessen (spektraler Emissionsgrad des Objekts, Umgebungstemperatur, usw.) bestimmt. Fig. 3

Description

- Λ

Titel der Erfindung:

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes. Hierbei kann die Strahlungsmessung der Temperatur von natürlichen oder künstlichen Objekten im infraroten und/oder sichtbaren Spektralbereich erfolgen. Die

große Bedeutung einer berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur von Objekten für die Forschung und insbesondere für die Industrie ist hinlänglich bekannt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Es ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Strahlungsmessung der Temperatur eines natürlichen oder künstlichen Objektes vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren wird aus einer Reihe von zwei (drei) oder mehr Strahlungsmessungen in begrenzten (besonders ausgewählten) Spektralbereichen die Objekttemperatur, der Emissionsgrad des Objektes und die Umgebungstemperatur (aus der am Objekt reflektierten Umgebungsstrahlung) ausschließlich rechnerisch bestimmt (P 33 21 874.9). Der Nachteil dieses Verfahrens zeigt sich dann, wenn Messungen beispielsweise in η Spektralbereichen durchgeführt werden, da dann η voneinander unabhängige Gleichungen in folgender Form vorliegen:

^LM r = ⁵i * ^{L e} ^

^{M 1}

^TObj '^xi ^{1 T}Umg' ι

wobei

L_M ^ die gemessene Strahldichte bei der Wellenlänge ¹ ^i ist,

L_x η die nach Planck berechnte Strahldichte eines flhi' ΐ

^J schwarzen Körpers der Temperatur Tq.. bei der

Wellenlänge 2.. ist,

<S. der Emissionsgrad des Objekts bei der Wellenlänge ^. ist,

L_x -^ die nach Planck berechnete Strahldichte eines ^m^ ^λ schwarzen Körpers der Temperatur T.. bei der

Wellenlänge X. ist,

(1- & .) der Reflexionsgrad des Objekts bei der Wellenlänge λ ist, Tq. . die wahre Objekttemperatur und

- 3 die wahre Umgebungstemperatur ist.

Das bedeutet aber, es gibt unter der Voraussetzung einer homogenen Umgebungstemperatur und einer homogenen Objekttemperatur η + 2 unbekannte Größen, nämlich η unbekannte spektrale Emissionsgradwerte &· und die unbekannten Temperaturen

T₀, . und T₁₁ . Nachdem somit in η Gleichungen η + 2 Unbekann Obj Umg

te vorliegen, ist das System so nicht lösbar. Der Nachteil solcher weiterentwickelter Temperaturmeßverfahren ist also darin zu sehen, daß dann vereinfachende Annahmen getroffen werden müssen, die wiederum dazu führen, daß die ermittelten Temperaturen (Objekt- und Umgebungstemperatur) und Emissions gradwerte nicht exakt sind, und daß darüber hinaus im allgemeinen Meßfehler ebenfalls das oder die Ergebnisse beeinflüssen.

Ziel der Erfindung:

Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur berührungslosen emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes derart verbessert werden, daß damit nicht nur ohne vereinfachende Annahmen die Objekttemperatur, spektrale Emissionsgradwerte und die Umgebungstemperatur (oder Umgebungstemperaturen bei einer thermisch inhomogenen Umgebung) exakt ermittelt werden können, sondern daß darüber hinaus auch ein Ausgleich unterschiedlicher Meßfehler bewirkt wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf folgenden Gleichungen : 35

Ll₁, ο = r. . £ . 1 & L

1 Tl_Obi,A.

Umg' i

L2 - = r.. T, /ε. 4-Ly₉ η +(1-S)L (3)

^M'^Xi ι ι i- ι ^T2obj,^ i ^{x T}Umg'^ i

für i = 3, ... , η 5

wobei

LIj. .-, die gemessen Strahldichte bei der Wellenlänge

¹ X. (Zentrumswellenlänge) und der Objekttemperatur T4 ist,·

L2_M -χ die gemessene Strahldichte bei der Wellenlänge

¹ 'X_i und der Objekttemperatur T2 ist; r. die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts

bei d.er Wellenlänge X. ist; T^ die Transmission der Atmosphäre bei der Wellenlänge 71. ist;

Tdg, . die Obj'ekttemperatur ΤΊ und T2_0b· die Objekttemperatur T2 ist.

Hierbei gilt explizit:

^T<LObj

wobei C₁ = 3,7418 [w cm² pm⁴j ; C₂ = 1,4388 [pm κ] ; T = 3,141843

L_T, die Strahldichte nach-Planck für einen Schwarzen Kör-¹^ per der Temperatur Tlghi'

A die Wellenlänge Tpm] und

Tl₀-. die Objekttemperatur Tl [κ] ist. 35

Gl.(4) gilt entsprechend auch für T²QKi* ^D*^{e Gle}i^cnün9^en (2) und (3) beschreiben vollständig die Strahldichte, die an na-

türlichen Objekten gemessen wird, nämlich die Summe aus emittierter Strahlung, die durch die Temperatur und den spektralen Emissionsgrad des Objekts bedingt ist, und aus reflektierter Umgebungsstrahlung (die durch die Umgebungstemperatur und den Reflexionsgrad P. = 1- S- des Objektes bedingt ist.)

Hat ein interessierendes Objekt die Temperatur Tl_n. . und sind beispielsweise nur die Wellenlängen (Zentrumswellenlängen) A. des verwendeten Spektralmeßgeräts bekannt ( und ist die Breite aller Spektralbereiche identisch), dann enthält die Gl.(2) für η Spektralbereiche die unbekannten Faktoren: Tl_n. ., T|| , r.. ~ü. und £ . . Es liegen also 2n + 2 unbekannte Faktoren vor; dabei wurde vorausgesetzt, daß die Faktoren r. (die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts) und T . (der Transmissionsgrad der Atmosphäre) nur als Produkt, als welches sie auftauchen, ermittelt werden sollen, und die Kenntnis der einzelnen Faktoren hier nicht interessiert.

Den 2n + 2 Unbekannten stehen bei Gl.(2) nur η Meßwerte gegenüber; eine (exakte) Lösung des Systems ist also nicht möglich. Ändert nun das Objekt seine Temperatur auf den Wert T2g, ., so gilt zusätzlich Gl. (3); damit kommt einerseits eine weitere Unbekannte hinzu, nämlich T2_n, ., und anderer-

ObJ'

seits kommen aber η weitere Meßwerte hinzu. Somit stehen 2n Meßwerten 2n + 3 Unbekannte gegenüber, so daß auch dieses System nicht exakt lösbar ist. Ändert nun das Objekt seine Temperatur auf den Wert T3_n. ., so liegen 2n + 4 Unbekannte gegenüber 3n Meßwerten vor; d.h. für η = 4 Spektra'lbereiche (in denen gemessen wird) ist das System mit 12 Meßwerten und 12 Unbekannten bereits exakt lösbar (wobei der Ausdruck exakt unter der Annahme zu verstehen ist, daß die Messungen fehlerfrei sind). Wird in η = 5 Spektralbereichen gemessen, so ist das Gleichungssystem mit 15 Messungen und 14 Unbekannten bereits überbestimmt; die Lösung erfolgt also iterativ (durch eine Ausgleichsrechnung), wobei durch die Überbestimmung ein Ausgleich von Meßungenauigkeiten bewirkt wird.

Die Differenz der Anzahl der Meßwerte und der Anzahl der Unbekannten 3n - (2n + 4) = η - 4 gibt dabei an, wie groß die Zahl der Meßwerte ist, die zusätzlich zur Zahl der zur Lösung notwendigen Meßwerte zum Ausgleich der Meßungenauigkeiten beiträgt.

Die obigen Ausführungen gelten natürlich nur, wenn zu den Zeitpunkten der Messungen r., "Z. und T.. konstant sind, was bei unverändertem Meßaufbau und unveränderter Umgebung und wenn die Zeiten zwischen den Messungen nicht lang sind, sichergestellt ist, und wenn ferner <3 . für Tl_n. ·> T2_Q, . und T3_n, . jeweils denselben Wert hat, eine Forderung, die in weiten Temperaturbereichen von den meisten Materialien und Objekten erfüllt wird. Erst im Bereich von hohen Temperaturen (Glut) und bei der Änderung von Aggregatzuständen kommt es zu einer deutlichen Temperaturabhängigkeit des Emissionsgrades.

Zur Durchführung des Verfahrens wird also die spektrale Strahldichte des Objekts bei drei verschiedenen Objekttemperaturen z.B. in jeweils η = 4 Spektralbereichen aufgenommen, und aus diesen 12 Meßwerten werden die 12 unbekannten Größen exakt bestimmt. Ist η > 4, so liegen η - 4 Meßwerte vor, die durch den Ausgleich von Meßungenauigkeiten zur Genauigkeit der Ergebnisse beitragen.

Natürlich ist es möglich, das verwendete Spektrometer in bekannter Art zu eichen, d.h. seine spektralen Empfindlichkeitswerte r. (mit Hilfe von Eichstrahlern, d.h. schwarzen Körpern) zu ermitteln und zusätzlich seine Spektralbereiche so auszuwählen, daß sie in Bereichen hoher atmosphärischer Transmissionsgrade T . liegen, so daß T. = 1 gesetzt werden kann. (Solche Bereiche lassen sich in bekannter Weise durch Messung oder Modellrechnung - beispielsweise mit Hilfe der "LOWTRAN"- und "HITRAN"-Modelle - für jede Meßentfernung ermitteln.) Es wird damit die Zahl der unbekannten Größen auf η + 2 verringert, so daß durch Messungen bei zwei (2) Tempe-

raturen des Objekts, welche zu 2n Meßwerten führen, für η = bereits 4 Unbekannte und 4 Meßwerte vorliegen und somit eine Lösung möglich ist, und für η > 2 jeweils η - 2 Meßwerte einen Ausgleich bewirken

5

Natürlich können noch weitere unbekannte Größen eingeführt werden, wie z.B. in thermisch inhomogener Umgebung verschiedene Umgebungstemperaturen etc., welche bei einer entsprechend großen Anzahl η der Spektralbereiche und einer entsprechenden Anzahl verschiedener Objekttemperaturen exakt oder sogar ausgleichend ermittelt werden können.

Ebenso ist es möglich, alle einmal gewonnenen Erkenntnisse in folgenden Meßschritten zu nutzen; ist beispielsweise der Temperaturbereich gefunden, in dem der Emissionsgrad temperaturunabhängig ist, so kann der einmal ermittelte spektrale Emissionsgrad S. bei den folgenden Messungen als bekannt verwendet werden. Das heißt, solange die Objekttemperatur in dem bestimmten Bereich liegt, kann jede Spektralmessung bei nur einer Temperatur des Objekts bereits ausgleichend zur Bestimmung der Objekttemperatur und der Umgebungstemperatur verwendet werden; dies gilt entsprechend auch für die spektrale Empfindlichkeit r. des Spektrometers und den Transmissionsgrad V. der Atmosphäre (welche beide natürlich temperaturunabhängig sind). Sind beispielsweise diese Größen (<5.,

£"j.r^) mit η = 4 und aus 3n = 12 Meßwerten ermittelt, genügen in den weiteren Schritten η = 4 Meßwerte zur ausgleichenden Bestimmung der zwei Unbekannten T_Q, . und T.. . Es ist also für sehr viele Anwendungen möglich, das Meßobjekt nur einmal oder nur in größeren Zeitabständen zu Kontrollzwecken bei mehreren Temperaturen, was auch durch künstliche Heizung erreichbar ist, zu vermessen und die daraus gewonnenen Größen beispielsweise für Überwachungen in längeren Zeiträumen zu verwenden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also nicht nur möglich, die Temperatur eines Objektes exakt zu ermitteln,

-δι sondern es können auch sein spektraler Emissionsgrad und die Temperatur der Umgebung (oder die Temperaturen thermisch inhomogener Umgebung) ermittelt werden. Ein ganz besonderer Vorteil ist dabei, daß außerdem aus der Strahlungsmessung des Objektes - also ohne eine gesonderte Eichung - auch der Einfluß der spektralen Empfindlichkeit des Meßgeräts und der Atmosphäre bestimmt wird. Das Verfahren ist also "selbstkalibrierend" und ein Driften der spektralen Empfindlichkeit des Meßgeräts verfälscht die Meßergebnisse nicht; damit ist eine Eichung und Nacheichung des Meßgeräts nicht erforderlich, was ein unschätzbarer Vorteil für routinemäßig verwendete Meßgeräte ist.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen, vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß bei einer entsprechend hohen Anzahl der Spektralbereiche und/ oder der Objekttemperaturen die Meßergebnisse ausgleichend ermittelt, d.h. Meßungenauigkeiten ausgeglichen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die an-Liegenden Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l und 2 graphische Darstellungen des Transmissionsgrades der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Wellenlänge für Weglängen von 1 m bzw. 3 m, die mit dem Modell "Lowtran 5" unter Verwendung des Modells "Sommer in mittlerer Breite" bei einer spektralen Auflösung von 5cm in einer Höhe von 0,5km bei einer Sichtweite von

23km berechnet sind;

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und

Fig.4 schematisch eine ausführliche Darstellung beispielsweise einer Strahlungsmessung, wobei die wichtigsten Strahlungsteile angegeben sind.

- 9 Ausführungsbeispiele:

Der Transmissionsgrad der Atmosphäre in Fig.l und 2 ist für einen Wellenlängenbereich von lpm bis 15μπι dargestellt. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diesen Wellenlängenbereich beschränkt, sondern vom ultravioletten Spektralbereich kontinuierlich bis zum sehr langwelligen Infrarotbereich, also bis in den Bereich der Millimeterwellen anwendbar. Der in den Fig.l und 2 dargestellte Bereich, einschließlich des nicht sichtbaren Spektralbereichs ist allerdings besonders gut zur Durchführung des Verfahrens bei den üblicherweise vorkommenden, natürlichen und künstlich erzeugten Temperaturen der Umwelt einschließlich industrieller Prozesse geeignet. Natürlich ist für Weglängen von Im bis 3m im sichtbaren Spektralbereich der Transmissionsgrad der Atmosphäre gleich eins ( 7/ . = 1).

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden u.a. aus Energiegründen (Strahlungsenergie) Spektralbereiche ausgewählt, in denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre nahe an eins ( t · =1) ist; wie aber aus den Fig.l und 2 ersichtlich, ist durchaus der gesamte dort dargestellte Bereich geeignet. Für größere Weglängen wird der Transmissionsgrad der Atmosphäre in bestimmten Bereichen (z.B. etwa von 2,6pm bis 2,8pm oder etwa von 5,5pm bis 7,3pm, etc.) gleich null ( Τ. = 0); eine Messung in solchen Bereichen ist dann natürlich nicht mehr sinnvoll; das Verfahren führt aber auch mit solchen Meßwerten noch zu einem Ergebnis, wenn neben diesen Meßwerten noch genügend andere vorhanden sind, in denen Strahlung vom Objekt zum Meßgerät gelangt, solange die Anzahl der Unbekannten gleich der oder kleiner als die Anzahl der Meßwerte (die noch Strahlungsenergie enthalten) ist.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die von einem Objekt 0 ausgehende Strahlung von einem Teleskop T eines Interferometerspektrometers IFS (eines Interferome-

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-ΙΟΙ ters nach Michelson) gesammelt und über eine Kollimatorlinse KL in das Interferometer gelenkt. In dem Interferometer IFS wird in bekannter Weise mittels eines Strahlteilers ST, eines festen Spiegels S-, und eines beweglichen Spiegels S₂ sowie einer Feldlinse FL unter Einbeziehung eines Detektors DO ein Interferogramm der einfallenden Strahlung erzeugt. Das Interferogramm wird in Form eines elektrischen Signals in einem elektrischen Verstärker V verstärkt und von einem Analog-Digitalwandler digitalisiert, und zwar mit Hilfe eines Wandlertaktes, der in bekannter Weise unter Zuhilfenahme eines weiteren festen Spiegels RS,, eines weiteren Strahlteilers RST eines Referenzinterferometers, eines weiteren Detektors DL des Referenzinterferometers und eines Ausgangsverstärkers RV aus den in dem Referenzinterferometer zur Positionsmessung des Spiegels S₂ verwendeten Laserlichts eines Lasers L (beispielsweise eines HeNe-Lasers) gewonnen wird.

Die digitalisierten Meßwerte (Interferogrammwerte) werden entweder unmittelbar in einem Mikrorechner durch eine mathematische Fouriertransformation in das Spektrum der eingefallenen Strahlung umgerechnet und dann als Spektrum in einem dem Mirkorechner zugeordneten Digitalspeicher abgespeichert, oder erst auf diesem Speicher abgelegt und später transformiert. Gleichartige Messungen erfolgen nach Änderung der Objekttemperatur oder der Umgebungstemperatur, o.a.. Nach der Berechnung aller entsprechenden Spektren, die in Abhängigkeit von der spektralen Auflösungskraft des Interferometers je eine Anzahl von einigen zehn bis zu mehreren zehntausend oder mehr spektralen Meßwerten enthalten, wird aus allen Spektralwerten und/oder aus einer größeren oder kleineren Zahl ausgewählter Werte und/oder aus verschiedenen Gruppen ausgewählter Werte das Gleichungssystem gebildet und gelöst oder ausgleichend gelöst. Alle ermittelten Werte oder einzelne, wie beispielsweise nur die Objekttemperaturen, können dann mit Hilfe eines Anzeigegeräts angezeigt werden.

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Der Mikrorechner verfügt über eine Befehlseingabeeinheit, über die alle das Verfahren betreffenden Befehle in bekannter Weise flexibel aufgerufen, verknüpft, gestartet, etc. werden können (beispielsweise Datenaufnahme vom Interferometerspektrometer, Fouriertransformation, Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems etc.).

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform ist es auch möglich, andere Spektralradiometer zu verwenden (beispielsweise Filterradiometer). Grundsätzlich kann dabei eine beliebige Anzahl von Spektralbereichen unter der Bedingung verwendet werden, daß das Gleichungssystem lösbar ist. Die Speicherung, Verarbeitung und Ausgabe der Meßwerte und der Ergebnisse kann auf verschiedenen Medien und Rechnern durchgeführt werden. Da im allgemeinen eine möglichst geringe Anzahl von Meßwerten erforderlich sein soll, ist zur Datenerfassung und Berechnung der Ergebnisse ein Mikrorechner ausreichend, so daß die beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens auch bei Verwendung einfacher, fortschrittlicher (bisher recht aufwendiger) Interferometerspektrometer als transportables Gerät gestaltet werden kann, das breite und wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

Fig.4 zeigt schematisch in ausführlicher Darstellung beispielhaft eine Strahlungsmessung, wobei die wichtigsten auftretenden Strahlungsteile wiedergegeben sind. Hierbei bedeuten in Fig.4:

die Wel.lenzahl [cm~ J (inverse Wellenlänge), bezüglich der Umgebung des Objekts:

die Strahldichte der Umgebung als eine Funktion von/ und:

die Umgebungstemperatur

der (die) Emissionsgrad(e) der Umgebung (die selbst eine Funktion von V sind)

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^τκ ε_κ

bezüglich des Objekts:

die Strahldichte des Objekts, als Funktion von

und:

die Objekttemperatur

den Emissioinsgrad

ferner

den Reflexionsgrad und

den Transmissionsgrad

des Objekts, die jeweils Funktionen von V sind;

.At SAt

L

AtEM

-AtSu

uAt

T

uAt 'uAt

L

SE

bezüglich der Atmosphäre: den Transmissionsgrad den Emissionsgrad den Reflexionsgrad

der Atmosphäre, die jeweils Funktionen von sind

die Strahldichte der von der Atmosphäre emittierten Strahlung, die Funktion der Atmosphärentemperatur, von U und von ε ist;

die Strahldichte der an der Atmosphäre gestreuten Strahlung von Objekten der Umgebung (der Atmosphäre)

bezüglich der Umgebung der Atmosphäre (anders als

die des Objekts):

die Strahldichte der Umgebung der Atmosphäre, die

Funktion von If ist und:

die Temperatur der Umgebung der Atmosphäre und

den Emissionsgrad der (Objekte) der Umgebung der

Atmosphäre

bezüglich des Meßgerätes:

die Strahldichte des Meßgeräts (Strahlungsempfängers), die eine Funktion von If ist und: die Temperatur des Meßgeräts

den Emissionsgrad der inneren Oberflächen des Meßgeräts; ferner:

den Emissionsgrad "I der inneren Komponenden Transmissionsgrad J ten des Meßgerätes

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R( if ) die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts als

Funktion der Wellenzahl \f , wobei die Empfindlichkeit dem r. in den vorherigen Gleichungen (dort als Funktion der Wellenlänge %) entspricht und UV/ ^x das aus der empfangenen Strahlung vom Detektor erzeugte elektrische Signal des Meßgeräts, das eine Funktion von ^

In Fig.4 sind die Teile "Objekt, Umgebung, Atmosphäre, Meßgerät" unterschieden, und es ist angegeben, welche Strahlungsanteile wo auftreten, bzw. wie sie verändert werden; dazu sind kleine Koordinatensysteme an vier Orten auf dem Weg der Strahlung eingezeichnet, welche qualitative Spektren enthalten, die andeuten, wie die spektrale Charakteristik der Objektstrahlung vom Ort des Objektes (wo das Planck'sche Gesetz charakterisierend ist, für £ _K( ^" ) = const.) durch die Einflüsse von Umgebung, Atmosphäre und Meßgerät fortlaufend verändert wird.

Das Objekt wird durch seine Temperatur und seinen spektralen Emissions-, Reflexions- und Transmissionsgrad beschrieben; entsprechende Größen beschreiben auch die Umgebung, wobei Objekt und Umgebung hier der Einfachheit halber hinsichtlich der sie beschreibenden Größen als räumlich homogen angesehen werden (wodurch der Transmissionsgrad des Objektes null gesetzt wird). Es wrid also &„ + £_K = 1, d.h., ist gegebenenfalls £",, 4 0, so wird angenommen, daß die Umgebungsstrahlung das Objekt entsprechend ^ von allen Seiten, also auch von der Rückseite, durchdringt. Die vom Objekt ausgehende Strahlung ist daher die Summe von Objektstrahlung und reflektierter Umgebungsstrahlung. Auf dem Weg durch die Atmosphäre werden beide Anteile durch den spektralen Transmissionsgrad der Atmosphäre (multiplikativ) verändert und (additiv) erweitert durch die von der Atmosphäre selbst emittierte Strahlung und die an der Atmosphäre gestreute Umgebungsstrahlung (wobei diese Umgebung zumindest für lange Wege durch die Atmosphäre eine andere ist als die Umgebung

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des Objektes). Auf dem Weg durch das Meßgerät (von der Optik zum Detektor) überlagern sich (additiv) weitere Strahlungsanteile der empfangenen Strahlung, nämlich die von den inneren Komponenten und Oberflächen des Meßgeräts emittierte Strahlung. Darüber hinaus wird die Strahlung (multiplikativ) von Komponenten, wie Filtern, Linsen, Spiegeloberflächen etc. des Meßgeräts, sowie von der spektralen Empfindlichkeit des Detektors beeinflußt (falls diese nicht konstant im Meßbereich ist). Diese multiplikativen Einflüsse werden im Faktor R(^) (bzw. ^), der spektralen Empfindlichkeit des Meßgeräts zusammengefaßt, während alle Strahlungsanteile, die vom Meßgerät stammen, zur (Eigenstrahlung) Strahldichte L-- zusammengefaßt werden.

Alle hier beschriebenen Größen sind zunächst unbekannt; sie lassen sich aber alle bestimmen, indem entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren in genügend großer Zahl von Wellenlängenbereichen und bei genügend vielen verschiedenen Temperaturen des Objekts oder der Umgebung, etc. Strahlungsmessungen durchführt, so daß ein bestimmtes ober überbestimmtes Gleichtungssystem erhalten wird. Ist man allerdings, wie im vorliegenden Fall, hauptsächlich an der Bestimmung der Temperatur des Objekts interessiert, so ist es natürlich zweckmäßig, durch entsprechende Auslegung des Meßgerätes und der Meßanordnung möglichst viele Größen (an denen man nicht interessiert ist) vernachlässigbar zu machen.

Wird beispielsweise das Meßgerät als Interferometerspektrometer nur mit spiegelnder Optik ausgeführt und die Temperatur des ganzen Gerätes stabilisiert, so gilt in guter Näherung die Zusammenfassung der Geräteeigenstrahlung zu einer Strahldichte L__E gegeben durch die Temperatur T_£ des Gerätes. Der Emissionsgrad<S_F der inneren Oberflächen des Gerätes wird durch eine weitgehende Verwendung gleicher Materialien einheitlich gehalten. Wenn es die Meßaufgabe erlaubt, wird ein Detektor mit einer wellenlängenunabhängigen Empfindlichkeit verwendet. Zweckmäßig werden die Wellenlän-

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genbereiche der Messung so ausgewählt, daß in ihnen die Transmission der Atmosphäre zu 7_fl. = 1 gesetzt werden kann. Darüber hinaus wird der (additive) Anteil der Strahlungsanteile der Atmosphäre L_fttS(j und ^L _AtEM vernachlässigbar, indem der Weg zwischen Meßgerät und Objekt kurz gehalten wird. Gegebenenfalls wird durch entsprechende Abschirmungen (z.B. durch einen Tubus am Meßgerät, der nahe ans Objekt reicht) eine homogene Umgebungsstrahlung erreicht, so daß also nur eine Umgebungstemperatur zugrunde gelegt werden muß. 10

Bei Messung in η Wellenlängenbereichen und bei m verschiedenen Objekttemperaturen sind dann unbekannt:

m χ Τ«. . die Objekttemperatur

η χ ζ,. der spektrale Emissionsgrad des Objektes 1 χ Ty die Umgebungstemperatur 1 χ T_M die Temperatur des Meßgeräts (innen) 1 χ r. = const die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts

also n+m+3unbekannte Größen stehen n.m Meßwerten gegenüber. Für m = 2 Objekttemperaturen und η = 5 Wellenlängenbereiche ist also schon eine selbstkalibrierende Messung möglich. Natürlich ist generell eine Vergrößerung der Anzahl m der Objekttemperaturen wirkungsvoller als die Verwendung von mehr Wellenlängenbereichen. Unter der Voraussetzung, daß

r. 4 const, also wellenlängenabhängig ist, hat man η unbekannte Werte von r., also es liegen 2n+m+2 Unbekannte gegenüber n-m Meßwerten vor und mit m = 3 und η = 5 ist das Gleichungssystem bestimmt.

Für diese Beispiele ist der Emissionsgrad der inneren Oberflächen des Meßgeräts zu £- _F = const = 1 angenommen worden.

Es gelten dann folgende Gleichungen: 35

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I D

L1_M = r.{c,.L_T1 . + (1-C₁)L _χ +L _χ } (5)

^Μ'^λ± ^{x χ T1}0bj'^Xi ^{χ T}Umg'*i ^ΤΕ'^λ±

L2_M , '·= r.{_e<.L_T1 . + d-e^L +L) (6)

^M'^Xi ^{x x T1}Obj'^Xi ^{X T}Umg'^Xi Vi

Die verschiedenen Strahlungsanteile (in obigen Ausführungen) haben natürlich in den verschiedenen Wellenlängenbereichen unterschiedliche Bedeutung; so wird beispielsweise die Eigenstrahlung des Geräts im Sichtbaren meist zu vernachlässigen sein; (ähnliches gilt für die Emissions- etc. -grade). Die Erläuterungen haben allgemeine Gültigkeit, sind aber besonders auf den für die technische Realisierung wohl wichtigsten Infrarotstrahlungsbereich abgestimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch noch eine weitere Anwendung durchführbar, die allerdings im allgemeinen in der Praxis eine untergeordnete Bedeutung hat:

Liegen Messungen bei m Objekttemperaturen in je η Spektralbereichen vor und sind außer diesen Meßwerten sonst keine Informationen vorhanden, insbesondere auch nicht darüber, bei welchen η Wellenlängen (Spektralbereichen) die Messungen durchgeführt wurden (außer der Tatsache, daß ihre Lage ungefähr bekannt sein sollte, beispielsweise im Sichtbaren oder im Bereich 3 bis 5 pm oder im Bereich 8 bis IU pm), so können alle unbekannten Größen, insbesondere auch die Spektralbereiche (Wellenlängen) der Messungen errechnet oder ausgleichend errechnet werden.

Sind beispielsweise:

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η Spektralbereiche der Messungen

η Werte des spektralen Emissionsgrades des Objektes η Werte r- ·Ζα (Produkt von spektraler Empfindlichkeit des Meßgeräts und der spektralen Transmission der Atmosphäre)

m Objekttemperaturen eine Umgebungstemperatur und eine Temperatur des Meßgeräts unbekannt, dann liegen 3n + m + 2 Unbekannte gegenüber wieder n.m Meßwerten vor. Dann ist beispielsweise für η = 6 und m = 4 das Gleichungssystem lösbar; für η = 6 und m = 5 ist es bereits (um 5 Meßwerte) überbestimmt.

Claims (15)

1. - ί t α. -

   Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur berührungslosen, emissionsgradunabhangigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes, bei welchem Verfahren in η Wellenlängenbereichen (Spektralbändern) im Sichtbaren und/oder Infraroten und bei m Temperaturen des Objektes nacheinander Strahldichten oder -stärken erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Reihe von jeweils mindestens η = 4 Strahldichten oder -stärken aus den Messungen von mindestens m = 3 verschiedenen Temperaturen des Objekts (0) ein Gleichungssystem von n.m = 12 Unbekannten und n.m = 12 Meßwerten gebildet wird;

   durch das Gl'eichungssystem die Meßwerte mit Hilfe des Planck'sehen Strahlungsgesetzes jeweils als Summe der Strahldichte (-stärke) eines Strahlers mit der Temperatur und dem spektralen Emissionsgrad ( £-*) des Objektes und der Strahldichte (-stärke) eines Strahlers (von Umgebungseinflüssen) mit der Temperatur der Umgebung, die am Objekt mit einem spektralen Reflexionsgrad des Objektes ( $ · = 1 - 6- .) (eins minus spektralen Emissionsgrad) reflektiert wird, bei den jeweils η Meßwellenlängen (S-.) dargestellt werden, wobei die Summe noch mit einem Produkt (r..Z*·) aus der spektralen Empfindlichkeit (r.) des Meßobjektes und

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   dem Transmissionsgrad ( V-) der Atmosphäre multipliziert
   wird, welches Produkt auch bei den jeweils η Meßwellenlängen (%. mit i = 4,.. ..., n;) ermittelt werden, und die bei der Lösung des Gleichungssystems gefundenen m Objekttemperaturen als die wahren m Objekttemperaturen ermittelt
   werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Lösung des Gleichsungssystems gefundene, spektrale Emissionsgrad des Objektes (n Werte des spektralen Emissionsgrades bei den η Wellenlängen eines Meßgerätes) als der wahre spektrale Emissionsgrad des Objektes (0)
   ermittelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Lösung des Gleichungssystems gefundene^) Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen - bei thermisch inhomogener Umgebung) als die wahre(n) Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen bei thermisch inhomogener Umgebung) ermittelt wird (werden).
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Lösung des Gleichungssystems gefundene(n) Temperatur des Meßgeräts (Temperaturen der inneren

   Oberfläche des Meßgeräts) als die wahre(n) Temperatur (Temperaturen der inneren Oberflächen des Meßgeräts ermittelt
   wird (werden).
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Lösung gefundene Produkt (r.. .) aus der spektralen Empfindlichkeit (r.) des Meßgeräts und dem
   spektralen Transmissionsgrad (^*) der Atmosphäre (n Werte
   bei den η Wellenlängen des Meßgeräts) als das wahre Produkt
   (r.. Γ.) aus der spektralen Empfindlichkeit (r.) des Meßgeräts und dem spektralen Transmissionsgrad (6 .) der Atmosphäre ermittelt wird.

   - 19 -
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle aus dem Gleichungssystem ermittelten Größen, nämlich m Objekttemperaturen, die Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen - thermisch inhomogener Umgebung),die innere Temperatur des Meßgeräts, η Werte des spektralen Emissionsgrades des Objektes und η Werte des Produktes r^.J". aus der spektralen Empfindlichkeit r. des Meßgerätes und dem spektralen Transmissionsgrad T- der Atmosphäre ausschließlich durch Lösung des Gleichungssystems rechnerisch aus den Meßwerten ermittelt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei entsprechend großer Wahl von η Spektralbereichen und/oder m Objekttemperaturen die Anzahl n.m der voneinander unabhängigen Meßwerte zunehmend größer ist als die Zahl der unbekannten Größen, daß damit ein überbestimmtes Gleichungssystem gebildet wird, und dieses Gleichungssystem mit Hilfe der Ausgleichsrechnung gelöst wird, und daß dadurch Meßungenauigkeiten ausgeglichen werden, wodurch die ermittelten Werte der unbekannten Größen genauer werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß andere als die bisher genannten, unbekannten, zu bestimmenden Größen, beispielsweise mehrere Umgebungstemperaturen bei thermisch inhomogener Umgebung, die von der Atmosphäre emittierte Strahlung, oder der spektrale Transmissionsgrad des Objektes, falls dieses strahlungsdurchlässig ist, oder mehrere Objekttemperaturen gleichzeitig oder nacheinander bei thermisch inhomogenen Objekten oder das Objekt und/oder die Umgebung betreffende Geometriefaktoren, generell alle Faktoren, die die vom Objekt ausgehende Strahlung, ihren Weg zum Meßgerät und im Meßgerät bis zum endgültigen Meßwert in irgeneiner Weise beeinflussen, in das Gleichungssystem eingeführt werden,

   entsprechend der so gegebenen Anzahl von Unbekannten durch entsprechende Wahl von η Spektralbereichen und m Objekttemperaturen ein System von entsprechend vielen n.m Meßwerten erfaßt wird, und - 20 -

   das damit erstellte Gleichungssystem gelöst oder ausgleichend gelöst wird und dabei alle Unbekannten bestimmt oder ausgleichend bestimmt werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, aufgrund seiner Funktion und Beschaffenheit verschiedene Temperaturen annimmt, od"er aber durch irgendeine Art von Heizung erzwungen verschiedene Temperaturen annimmt. 10
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in entsprechender Weise angewandt wird, wenn die Objekttemperatur unverändert ist, die Umgebungstemperatur von selbst oder erzwungen verschiedene Werte annimmt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in entsprechender Weise angewandt wird, wenn eine beliebige Anzahl von beliebigen Unbekannten eine Anzahl von k verschiedenen Werten annimmt und dabei gleichzeitig eine Anzahl 1 von Meßwerten gewonnen wird, mit der Bedingung, daß Λ. > k ist, und daß dabei alle Unbekannten bestimmt oder ausgleichend bestimmt werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für wiederholte Messungen alle aus vorhergehenden Meßgängen ermittelten Größen, welche als unveränderlich anzusehen sind (wie beispielsweise das Produkt r.. Zs), als bekannte Größen in das Gleichungssystem aufgenommen werden, und daß dabei aus einer verringerten Anzahl von Meßwerten (beispielsweise einer Messung bei nur einer (m = 1) Objekttemperatur) die verbleibenden unbekannten Größen bestimmt oder ausgleichend bestimmt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer entsprechend großen Anzahl von m (verschiedenen Temperaturen des Objekts oder auch der

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    Umgebung, etc.) und von η Spektralbereichen (Wellenlängen-. bereichen) des Meßgerätes nur die Meßwerte selbst bekannt sein müssen, und daB alle unbekannten Größen, auch die Spektralbereiche (Wellenlängenbereiche) des Meßgeräts berechnet oder ausgleichend berechnet werden.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlungsmessung ein Interferometerspektrometer (IFS) verwendet wird, dabei die Anzahl η der spektralen Bereiche (Meßwerte) sehr hoch wählbar ist,

    die spektralen Meßwerte alle dieselbe spektrale Breite (in [cm J, also Wellenzahlen) haben, und daher die Rechnungen in Wellenzahlen |_cm~ J oder Wellenlängen Lpmj durchgeführt werden (d.h. eine Korrektur unterschiedlicher spektraler Breiten der Meßbereiche entfällt).
15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Teleskop (T), durch ein dem Teleskop (T) nachgeordnetes Spektralmeßgerät (IFS), welches über eine Taktlogik einen Analog-Digital-Wandler speist, welchem wiederum ein Mikrorechner mit Befehlseingabe und Anzeige nachgeschaltet ist.

    - Hierzu 4- Blatt Zeichnungen -

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