SE451409B - Anordning for bestemning av temperaturen hos ett metobjekt genom detektering av den elektromagnetiska stralning som metobjektet avger - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 451 409 2 teten. Problemet med denna är främst dess okänslighet. ytterligare en känd variant av pyrometern där man för- sökt minska inverkan av okänd emissivitet är den så kallade tváfärgspyrometern som i princip består av trä stycken färg- pyrometrar. Denna fungerar så att strálningsintensiteten be- stäms i två förhållandevis smala band som ligger nära varand- ra. Genom att dívidera det första bandets intensitet med det andra erhålles ett värde ur vilket temperaturen kan beräknas.

Om banden väljs tillräckligt smala och liggande tillräckligt nära varandra fås en mycket liten inverkan av emissivitets- faktorn och spektrala variationer hos denna.

Det allmänna problemet med denna teknik är dock att" “ om banden väljs smala blir instrumentets okänslighet i mot- svarande grad làg vilket bland annat medför att man inte kan mäta låga temperaturer. Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är därför att ange en anordning som dels möjliggör utnyttjandet av en stor andel av testobjektets emissionsspektrum och där- med blir känslig, dels tar sådan hänsyn till spektralför- delningen att mätningen blir noggrann även om emissivitets- faktorn ej är känd. Vidare skall anordningen enligt den föreliggande uppfinningen kunna göras enkel i fråga om upp- byggnaden.

Uppfinningen löser dessa problem pà det sätt som anges i de bifogade patentkraven. Härvid utgår man ifrån att tempera- turen hos ett mätobjekt skall bestämmas genom genom detek- tering.av den elektromagnetiska strålning som detta mätob- jekt avger varvid något ändamålsenligt överföringsorgan så- som lins, glasfiber eller annan optik bringar en del av den av mätobjektet avgivna strålningen att via ett vàglängdsupp- delande organ tillföras till en detektorenhet. Denna detek- torenhet kan innehålla en eller två detektorer och är anslu- ten till en signalbehandlingsenhet som avger signal till ändamålsenliga utorgan.

Uppfinningen kännetecknas av att detektorn består av en enda detektorcell som är av linjärt positionskänslig typ och med sådan längsutsträckning i förhållande till den spektralt uppdelade strålningen utbredning inom det avsed- da temperaturmätintervallet att ingen väsentlig del av strålningen faller utanför detektorns strålnings- och posi- 10 15 20 25 30 35 451 409 3 tionskänsliga område, samt att samtliga komponenter är orör- - fnffirn en: -efn-umurnnvøn: ligt monterade i förhållande till varandra. Uppfinningen kännetecknas vidare av att den positionskänsliga detektorn avger två strömmar, ur vilkas summa, skillnad och/ eller kvot, nämnda signalbehandlingsenhet är anordnad att beräkna positionen hos den belysande strålningens tyngdpunkt samt dârur, indirekt mätobjektets temperatur, och därefter presen- tera uppgift om temperaturen på eller via utorganet.

I motsats till känd teknik, använder man sig här av hela den del av den mottagna strålningens spektrum för vilken de- tektorn eller detektorparet är känslig. Härigenom utnyttjar man alla delar av spektrum optimalt och får en mycket hög mätkänslighet. Vidare slipper man inverkan av variationer i emissíviteten i olika delar av spektrum med falska toppar som följd.

Eftersom enligt uppfinningen, tyngdpunkten hos det upp- fångade spektrat måste bestämmas, skall i det fall en enda detektor används, denna vara av positionskänsligt slag, det vill säga avge signaler innehållande information om tyngd- punktsläget hos den belysande strålningen. En sådan detektor J avger i regel två strömmar, vilkas inbördes storlek anger var på detektorytan som tyngdpunkten ligger.

Enligt uppfinningen kan tyngdpunktsbestämníngen även ske med_hjälp av två detektorer. Dessa bör då vara anordnade så att de ligger så tätt ihop som möjligt med så litet av- 1 'stånd som möjligt mellan de ljuskänsliga ytorna och båda vara anslutna till signalbehandlíngsenheten. Även om det ur enkel- hetssynpunkt är bäst med en enda detektor, kan två detektorer dels tillsammans ge en större detektoryta totalt vilket ger högre känslighet, dels tillsammans ge större spektral bredd genom att vara av olika typ, till exempel kisel för de korta- re våglängderna och germanium för de längre våglängderna i ett och samma belysande spektrum.

För att inte detektorns eller detektorparets olika käns- lighet för olika våglängder skall påverka mätresultatets nog- granhet, är det ändamålsenligt att komplettera detektorerna med filter som har sådan transmission som funktion av våg- längden att den spektrala känsligheten hos detektor med fil- ter blir så linjär som möjligt. 10 15 20 25 30 35 40 451 409 4 Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade figurerna 1 - 5, där figur l visar spektralfördel- ningen hos svartkroppsstràlning från objekt med olika tempera- tur, figur 2 visar spektralfördelningen hos dels en ideal svartkroppsstrálare, en ideal gràkropp med samma temperatur, dels spektralfördelningen hos etticke idealt svart- eller gå gràkroppsstrålande objekt, figur 3 visar en anordning enligt den föreliggande uppfinningen i blockschemaform, figur 4 vi- sar en anordning enligt den föreliggande uppfinningen i mer detaljerat utförande, samt där slutligen figur 5 visar en tänkbar strálningsfördelning över detektorenheten i figur_§._ I figur l visas i diagramform ett antal typiska så kallade svartkroppsstràlningsspektra. Diagrammets X-axel anger i lin- jär skala den emmiterade strálningens våglängd i mikrometer i omrâdet 0 - 7 mikrometer. Diagrammets Y-axel anger í linjär skala den relativa spektrala radiansen hos emissionen. De olika kurvorna 21, 22, 23, och 24 visar typiska spektra för svartkroppsstràlande objekt med temperaturen 1300K, l200K, 1l00K och l0OOK respektive. Dessa kurvors maxvärden följer den streckade kurvan 20 som beskrivs av Wiens förskjutnings- lag. Genom att varje spektrum är osymmetriskt runt maxvärdet kommer spektrats tyngdpunkt att i figuren ligga till höger om varje respektive kurvas maxvärde. Tyngdpunkternas läge be- skrivs ej av Wiens förskjutningslag. Ej heller finns någon enkel proportionalitet mellan kurvornas maximivärdens våg-' i längd och tyngdpunkernas respektive vàglängdsvärden. Ett har de dock gemensamt: båda ökar i våglängd med minskande m temperatur. Hos samtliga kurvor har antagits att emissions- faktorn är lika med ett över hela spektrum.

I figur 2 visas i diagramform spektrum hos tre olika objekt som har upphettats till samma temperatur. Det ena objektet är en ideal svatrkroppsstràlare och har då en emis- sion enligt kurvan 3l. Det andra objektet är en gràkropps- strålare med en emissionsfaktor på 55% över hela spektrum.

Det tredje objektet är en mer allmän strálare, exempelvis en metallsmälta och avger en strålning med spektralfördel- ning enligt kurvan 33. Det typiska för detta mer realistiska spektrum är dels att emissionsfaktorn ej är konstant utan varierar med våglängden, dels att linje- och bandsträlning kan förekomma liksom även absorptionsband hos ämnen såsom 10 15 20 25 30 35 40 5 451 409 koldioxid och vattenånga. Detta gäller speciellt när man har behov av att mäta temperaturen hos olika metallsmältor var- vid nämnda gaser i regel bildas. Hos tváfärgspyrometrar an- vänder man tvà detektorer som tar emot var sitt smalt band av spektrum 37, resp 38 i avsikt att finna emissionens max- värde. Maxvärdet erhålls när en lika stor signal erhålls från båda detektorerna, dvs de spektrala band man mäter ligger i stort sätt symmetriskt runt toppen såsom visas i figur 2.

Detta förutsätter dock att emissionskurvan verkligen ser ut som kurvan 31 eller 32. När dock emissionsspektrum exempel- vis ser ut som kurvan 33, dvs innehåller diskreta spektral- linjer 34 exempelvis från natrium eller andra lättexciterade_ ämnen samt absorptionsband 35 från exempelvis vattenånga, uppstår lätt falska maxima som ej svarar mot maximum enligt Plancks stràlningslag varvid den mätmetoden kan ge upphov till felmätning. Genom att i stället mäta den våglängd som svarar mot emissonens tyngdpunkt blir risken för felmätning mindre. Vi har vidare genom mätningar kunnat konstatera att tyngdpunktsläget för en viss temperatur även är mycket lite beroende av emissionsfaktorn. Om emissionsfaktorn är l eller 0,1 över hela spektrum sà ligger spektrats tyngdpunkt ändå vid en och samma våglängd vilket är en mycket viktig fördel för förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen.

I figur 3 visas den föreliggande mätprincipen i block- schemaform. Från ett varmt mätobjekt l utstrålar elektromag-: netisk strålning, av vilken en del 8 tas emot av ett över-- _ föringsorgan 2. Detta överföringsorgan kan utgöras av ett lins- eller spegelsystem och/eller glasfiber eller glasfiber- funt, som överför den mottagna strålningen till ett våglängds- uppdelande organ 5. Detta váglängdsuppdelande organ har till uppgift att dela upp den mottagna strålningen 8 i dess hela spektrum och fördela detta spektrum över den stràlningskäns- liga ytan hos en detektorenhet 3. Detektorn 4 eller detekto- rerna 14, 15 (figur 5) i denna detektorenhet 3 är ansluten till en signalbehandlingsenhet 6 som beräknar temperaturen hos mätobjektet ur detektorenhetens avgivna signaler och presenterar denna på eller via ett utorgan 7.

I figur 4 visas en föredragen utföringsform av den föreliggande uppfinningen. Av överskådlighetsskäl har den visade anordningen enligt den föreliggande uppfinningen l0 15 20 25 30 35 40 451 409 6 delats upp i två enheter, en optisk 9 och en elektrisk 6, 7.

Den optiska enheten 9 innehåller överföringsorgan 2 som kan bestå av en eller flera linser l0, ll och som överför en del av den emítterade strålningen 8 från ett ej visat objekt l, till ettvàglängdsuppdelande organ 5 som företrädesvis består av ett holografiskt konkavgitter, som fokusserar ett första ordningens spektrum på en detektor 4. Härvid kommer spektrats kortvàgigaste strålning 40 att fokusseras i ena änden av de- tektorn 4 och spektrats långvàgigaste strålning 41 att fokus- seras i detektorns 4 andra ände. Tyngdpunkten hos det bely- sande spektrat 42 kommer att vara placerad någonstans pà de- tektorytan mellan ändlägena 40 och 41, beroende på mätobjek** tets temperatur. Detektorn 4 som med förbindningarna 43 och 44 är ansluten till signalbehandlingsenheten 6 avger två ström- mar (Il resp I2 i figur 5) vars inbördes förhållande anger var på detektorytan som tyngdpunkten är belägen. Tyngdpunktens läge svarar direkt mot mätobjektets temperatur. Genom denna uppbyggnad av en pyrometer erhåller man dels fördelen av att inga som helst rörliga delar behöver finnas, dels att kon- struktionen är mycket enkel och billig, vilket till stor del hör samman med valet av detektor. Eftersom detektorn är av halvledartyp är responsen oerhört snabb och instrumentets tidskonstant bestäms helt av snabbheten hos signalbehandlings- enheten 6 och i princip är av storleksordningen mikro- eller möjligen míllisekund. Vidare behövs ej någon dyrbar linjär detektormatrís med elektronisk avsökning eller annan dyr och komplicerad teknik.

Presentationen av temperaturen såsom den räknats fram av signalbehandlingsenheten 6 kan antingen ske på en alfanumerisk skärm utgörande utorgan 7 eller kan ske i form av ett diagram på en ej visad skrivare om den temperatur som skall mätas varierar med tiden, såsom exempelvis en plåt som valsas i ett valsverk.

I figur 5 visas två exempel på detektorarrangemang. Ge- nom att använda sig av en enda detektor 4 med långsmal form på den strålningskänsliga ytan, får man den enklaste och fördelaktigaste uppbyggnaden hos ett instrument enligt den föreliggande uppfinningen. Storleken av en detektor bestäms med hänsyn till spektrats geometriska utbredning som i sin tur bestäms av gittrets 5 egenskaper. Eftersom alla halvledarde~ 10 15 20 25 30 451 409 7 tektorer har olinjär spektral respons krävs för att få full noggranhet att någon form av kompensation införs för detta. det kanlämpligenske genom att detektorn 4, 14, 15 komplet- teras med ett eller flera (ej visade) optiska filter som i princip kan placeras var som helst i strålgången. De i fi- gur 5 visade spektra 45 och 46 belyser sålunda detektorn 4. spektrum 45 är ett idealt spektrum medan 46 är ett mer rea- I listiskt sådant. Deras tyngdpunkter sammanfaller i stort sett och har markerats med 47 och svarar mot en större våglängd än kurvornas maxima 48 resp 49. Tyngdpunktens läge känns av genom att de strömmar Il och I2 som detektorn 4 avger blir olika stora. Genom att ta hänsyn till strömmarnas kvot, skill- -w-nmv... nad och summa kan ett noggrant positionsvärde bestämmas.

Detta kan relateras till ett ändamålsenligt origo 12, 17 för vidare framräkning av den motsvarande temperaturen hos mätobjektet.

Fördelen med att använda två detektorer är främst den att dessa då kan väljas av olika typ. Härvid är det ändamålsenligt att som detektor 14 för den kortvàgiga delen av spektrum 45, 46 använda sig av en kiseldetektor försedd med lämpligt fil-' ter och som den detektor 15 för den làngvågiga delen av samma I spektrum 45, 46 använda sig av en germaniumdetektor, också försedd med ändamålsenligt filter. Ur de båda detektorernas 14, 15 strömmars I3 resp I4 inbördes förhållande beräknas på motsvarande sätt mätobjektets temperatur. Genom att an- _ vända sig av tvà detektorer kan känsligheten ökas. _ _ I stället för användande av optiska filter för kompensa- tion av detektorns respektive detektorernas spektrala olin- järitet, kan denna funktion läggas in i signalbehandlings- enhetens funktion vilket dock i regel leder till ett dyrare alternativ. |<

Claims (3)

451 409 3'

1. l. Anordning för bestämning av temperaturen hos ett mätobjekt (l) genom detektering av den elektromagnetiska strålning som mätobjektet avger, bestående av ett överfö- ringsorgan (2) för strålningen mellan nämnda mätobjekt (1) och ett vàglängdsuppdelande organ (5) i form av gitter eller prisma, vars avgivna, spektralt uppdelade strålning är anordnad att vara tillförd till en detektor (4) i en detektorenhet (3) som är ansluten till en signalbehand- lingsenhet (6) som i sin tur är ansluten till utorgan (7), k ä n n e t e c k n a d av att detektorn består av en egda detektorcell (4) som är av linjärt positionskänslig typ med sådan längsutsträckning i förhållande till den spek- tralt uppdelade strålningens utbredning inom det avsedda temperaturmätintervallet, att ingen väsentlig del av strål- ningen faller utanför detektorcellens stràlnings- och posi- tionskänsliga område, samt av att samtliga komponenter (2, 4,5) är orörligt monterade i förhållande till varandra. samt slutligen av att den positionskänsliga detektorn av- ger tvä strömmar (Il, I2), ur vilkas summa, skillnad och/ /eller kvot, nämnda signalbehandlingsenhet (6) är anordnad att beräkna positionen hos den belysande stràlningens tyngd- punkt samt därur indirekt mätobjektets temperatur.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda överföringsorgan (2) består av en glasfíber med sådan placering av slutänden att den av fibrern avgiv- na strálningen lyser ut hela gittret eller prismat (5).

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e C k n 5 d av att det vàglängdsuppdelande organet (5) är ett konkav- gitter som är anordnat att fokussera strålningen på nämnda detektorcell (4). KW'