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DE3343043A1 - Method for the contactless, emittance-independent radiometry of the temperature of an object - Google Patents

Method for the contactless, emittance-independent radiometry of the temperature of an object

Info

Publication number
DE3343043A1
DE3343043A1 DE19833343043 DE3343043A DE3343043A1 DE 3343043 A1 DE3343043 A1 DE 3343043A1 DE 19833343043 DE19833343043 DE 19833343043 DE 3343043 A DE3343043 A DE 3343043A DE 3343043 A1 DE3343043 A1 DE 3343043A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
spectral
temperatures
temperature
determined
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19833343043
Other languages
German (de)
Inventor
Volker Dipl.-Ing. 8081 Eching Tank
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE19833343043 priority Critical patent/DE3343043A1/en
Priority to EP84111968A priority patent/EP0143282B1/en
Priority to DE8484111968T priority patent/DE3476584D1/en
Priority to DD26984384A priority patent/DD229213A5/en
Priority to JP59251442A priority patent/JPS60140131A/en
Publication of DE3343043A1 publication Critical patent/DE3343043A1/en
Priority to US07/378,483 priority patent/US4974182A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/601Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using spectral scanning

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

A method for the contactless, emittance-independent radiometry of the temperature of objects is provided, in which method the respective object assumes two, three or more different temperatures (or is brought to two or more temperatures or comes to the latter itself), and radiation measurements of the radiation emanating from the object are carried out in each case in four or more spectral regions in the infrared and/or visible wavelength region, and these measured values are used to determine exactly, or even in the compensating fashion, the respective object temperatures as well as, likewise, all the remaining unknown variables (spectral emittance of the object, environmental temperature, etc).

Description

Verfahren zur berührungslosen, emissionsgradunab- Method for contactless, emission-independent

hängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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. dependent radiation measurement of the temperature of an object The invention relates to a method for non-contact, emission-independent radiation measurement the temperature of an object according to the preamble of claim 1. Here can the radiation measurement of the temperature of natural or artificial objects in the infrared and / or visible spectral range. The great importance of a non-contact, emission level-independent radiation measurement of the temperature of Objects for research and especially for industry is well known.

Es ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Strahlungsmessung der Temperatur eines natürlichen oder künstlichen Objektes vorgeschlagen worden.There is already a method and a device for contactless Proposed radiation measurement of the temperature of a natural or artificial object been.

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 n Spektralbereichen durchgeführt werden, da dann n voneinander unabhängige Gleichungen in folgender Form vorliegen: wobei die gemessene Strahl dichte bei der Wellenlänge Aii ist, die a die nach Planck berechnte Strahl dichte eines Obj i schwarzen Körpers der Temperatur Tobj bei der Wellenlänge x i ist, i i der Emissionsgrad des Objekts bei der Wellenlänge x ist, die nach Planck berechnete Strahl dichte eines schwarzen Körpers der Temperatur TUm g bei der Wellenlänge Zi ist, (1- i der Reflexionsgrad des Objekts bei der Wellenlänge X i ist Tobj die wahre Objekttemperatur und die wahre Umgebungstemperatur ist.With this method, the object temperature, the emissivity of the object and the ambient temperature (from the ambient radiation reflected on the object) are determined exclusively by calculation from a series of two (three) or more radiation measurements in limited (specially selected) spectral ranges (P 33 21 874.9). The disadvantage of this method becomes apparent when measurements are carried out, for example, in n spectral ranges, since then n independent equations are available in the following form: where the measured beam density at wavelength Aii is, the a is the beam density calculated according to Planck of an Obj i blackbody of temperature Tobj at wavelength xi, ii is the emissivity of the object at wavelength x, is the radiation density of a black body of temperature TUm g at wavelength Zi, calculated according to Planck, (1- i is the reflectance of the object at wavelength X i, Tobj is the true object temperature and the true ambient temperature.

Umg die wahre Umgebungstemperatur ist. Amb is the true ambient temperature.

Das bedeutet aber, es gibt unter der Voraussetzung einer homogenen Umgebungstemperatur und einer homogenen Objekttemperatur n + 2 unbekannte Größen, nämlich n unbekannte spektrale Emissionsgradwerte £. und die unbekannten Temperaturen Tobj und T Nachdem somit in n Gleichungen n + 2 Unbekann 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-.But that means there is a homogeneous assumption Ambient temperature and a homogeneous object temperature n + 2 unknown quantities, namely n unknown spectral emissivity values £. and the unknown temperatures Tobj and T Since there are n + 2 unknowns in n equations, that is System not solvable like this. The disadvantage of such advanced temperature measurement methods it can therefore be seen in the fact that simplifying assumptions must then be made, which in turn lead to the determined temperatures (object and ambient temperature) and emission.

gradwerte nicht exakt sind, und daß darüber hinaus im allgemeinen Meßfehler ebenfalls das oder die Ergebnisse beeinflussen.degree values are not exact, and moreover that in general Measurement errors also affect the result or results.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur berührungslosen emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes derart zu verbessern, 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. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.It is therefore the object of the invention to provide a method for contactless emissivity-independent radiation measurement of the temperature of an object in this way to improve that not only without simplifying assumptions the object temperature, spectral emissivity values and the ambient temperature (or ambient temperatures in a thermally inhomogeneous environment) can be determined exactly, but that, in addition, different measurement errors are compensated for. According to the invention, this object is in a method according to the preamble of Claim 1 solved by the features in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are in the subclaims specified.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf folgenden Gleichungen: für i = 3, ..., n wobei L1M, #i die gemessen Strahl dichte bei der Wellenlänge #i (Zentrumswellenlänge) und der Objekttemperatur T1 ist; L2M, #i die gemessene Strahl dichte bei der Wellenlänge #i und der Objekttemperatur T2 ist; ri die spektrale Empfindlichkeit des Meßgerätes bei der Wellenlänge 2 i ist; T. die Transmission der Atmosphäre bei der Wellenlänge Xi ist; die die Objekttemperatur T1 und T20bj die Objekttemperatur T2 ist.The method according to the invention is based on the following equations: for i = 3, ..., n where L1M, #i is the measured beam density at the wavelength #i (center wavelength) and the object temperature T1; L2M, #i is the measured ray density at wavelength #i and object temperature T2; ri is the spectral sensitivity of the meter at wavelength 2 i; T. is the transmission of the atmosphere at wavelength Xi; which is the object temperature T1 and T20bj is the object temperature T2.

Hierbei gilt explizit: wobei c1 = 3,7418 [W cm2 pm4l ; c2 = 1,4388 Em KJ ; # = 3,141843 LT1 die Strahl dichte nach Planck für einen Schwarzen Kör-Obj per der Temperatur T1Obj, die Wellenlänge Epm] und T1Obj die Objekttemperatur T1 [K] ist.The following applies here explicitly: where c1 = 3.7418 [W cm2 pm4l; c2 = 1.4388 Em KJ; # = 3.141843 LT1 is the beam density according to Planck for a black body object per temperature T1Obj, the wavelength Epm] and T1Obj is the object temperature T1 [K].

Gl.(4) gilt entsprechend auch für T2j Die Gleichungen (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 9 i = des Objektes bedingt ist.) Hat ein interessierendes Objekt die Temperatur T10bj und sind beispielsweise nur die Wellenlängen (Zentrumswellenlängen) i des verwendeten Spektralmeßgeräts bekannt ( und ist die Breite aller Spektralbereiche identisch), dann enthält die Gl.(2) für n Spektralbereiche die unbekannten Faktoren: T10bj, TUmg, ri. . und 6.. Es liegen also 2n + 2 unbekann-1 1 te Faktoren vor; dabei wurde vorausgesetzt, daß die Faktoren r. (die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts) und I (der Transmissionsgrad der Atmosphäre) nur als Produkt, als welches sie auftauchen, ermittelt werden sollen, und die Kenntnis der einzelnen Faktoren hier nicht interessiert.Equation (4) also applies to T2j. Equations (2) and, (3) fully describe the radiance that natural Objects is measured, namely the sum of emitted radiation caused by the Temperature and the spectral emissivity of the object is conditioned, and from reflected Ambient radiation (which is caused by the ambient temperature and the degree of reflection 9 i = of the object is conditional.) Has an object of interest the temperature T10bj and are, for example, only the wavelengths (center wavelengths) i of the one used Known spectral measuring device (and the width of all spectral ranges is identical), then equation (2) contains the unknown factors for n spectral ranges: T10bj, TUmg, ri. . and 6 .. So there are 2n + 2 unknown 1 1 th factors; was doing it provided that the factors r. (the spectral sensitivity of the meter) and I (the transmittance of the atmosphere) only as the product as which they appear, should be determined, and the knowledge of the individual factors is not of interest here.

Den 2n + 2 Unbekannten stehen bei Gl.(2) nur n Meßwerte gegenüber; eine (exakte) Lösung des Systems ist also nicht möglich. Ändert nun das Objekt seine Temperatur auf den Wert TZobj, so gilt zusätzlich Gl.(3); damit kommt einerseits eine weitere Unbekannte hinzu, nämlich T20bj, und andererseits kommen aber n 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 T30bj, so liegen 2n + 4 Unbekannte gegenüber 3n Meßwerten vor; d.h. für n = 4 Spektralbereiche (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 n = 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.In Eq. (2) there are only n measured values opposite the 2n + 2 unknowns; an (exact) solution of the system is therefore not possible. Now the object changes its Temperature to the value TZobj, then equation (3) also applies; with that comes on the one hand Another unknown is added, namely T20bj, and on the other hand there are n more Measured values added. Thus there are 2n measured values opposite 2n + 3 unknowns, so that too this system cannot be solved exactly. Now the object changes its temperature the value T30bj, there are 2n + 4 unknowns compared to 3n measured values; i.e. for n = 4 spectral ranges (in which measurements are taken) is the system with 12 measured values and 12 unknowns already exactly solvable (where the expression is exactly under the assumption it is to be understood that the measurements are error-free). Used in n = 5 spectral ranges measured, the equation system with 15 measurements and 14 unknowns is already overdetermined; the solution is therefore iterative (by means of a compensation calculation), the overdetermination compensating for measurement inaccuracies.

Die Differenz der Anzahl der Meßwerte und der Anzahl der Unbekannten 3n - (2n + 4) = n - 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.The difference between the number of measured values and the number of unknowns 3n - (2n + 4) = n - 4 indicates how large the number of measured values is that are additionally the number of measured values necessary for the solution to compensate for the measurement inaccuracies contributes.

Die obigen Ausführungen gelten natürlich nur, wenn zu den Zeitpunkten der Messungen ri, #i und TUmg konstant sind, was bei unverändertem Meßaufbau und unveränderter Umgebung und wenn die Zeiten zwischen den Messungen nicht lang sind, sichergestellt ist, und wenn ferner 6 für T1Obj, T20bj und T3Obj 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.The above statements of course only apply if at the points in time of the measurements ri, #i and TUmg are constant, which is the case with the measurement setup and unchanged environment and if the times between measurements are not long, is ensured, and if, furthermore, 6 for T1Obj, T20bj and T3Obj are each the same Has value, a requirement that is common to most materials in wide temperature ranges and objects is fulfilled. Only in the range of high temperatures (embers) and at the change in aggregate states leads to a clear temperature dependency the emissivity.

Zur Durchführung des Verfahrens wird also die spektrale Strahl dichte des Objekts bei drei verschiedenen Objekttemperaturen z.B. in jeweils n = 4 Spektralbereichen aufgenommen, und aus diesen 12 Meßwerten werden die 12 unbekannten Größen exakt bestimmt. Ist n > 4, so liegen n - 4 Meßwerte vor, die durch den Ausgleich von Meßungenauigkeiten zur Genauigkeit der Ergebnisse beitragen.The spectral beam density is therefore used to carry out the method of the object at three different object temperatures, e.g. in n = 4 spectral ranges each recorded, and from these 12 measured values the 12 unknown quantities become exact certainly. If n> 4, there are n - 4 measured values obtained by balancing Measurement inaccuracies contribute to the accuracy of the results.

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 1 1 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 n + 2 verringert, so daß durch Messungen bei zwei (2) Tempe- raturen des Objekts, welche zu 2n Meßwerten führen, für n = 2 bereits 4 Unbekannte und 4 Meßwerte vorliegen und somit eine Lösung möglich ist, und für n > 2 jeweils n - 2 Meßwerte einen Ausgleich bewirken.Of course, it is possible to use the spectrometer used in a known manner Type to be calibrated, i.e. its spectral sensitivity values r. (with the help of calibration blasters, i.e. black bodies) and also to select its spectral ranges in such a way that that they t in areas of high atmospheric transmittance. lie so that t. = 1 can be set 1 1 can. (Such areas can be set in a known manner by measurement or model calculation - for example with the help of the "LOWTRAN" - and "HITRAN" models - determine for each measuring distance.) It is the number of unknown quantities reduced to n + 2, so that measurements at two (2) temperatures ratures of the object, which lead to 2n measured values, for n = 2 already 4 unknowns and 4 Measured values are available and thus a solution is possible, and for n> 2 n - 2 measured values cause a compensation.

Natürlich können noch weitere unbekannte Größen eingeführt werden, wie z.B. in thermisch inhomogener Umgebung verschiedene Umgebungstemperaturen etc., welche bei einer entsprechend großen Anzahl n der Spektralbereiche und einer entsprechenden Anzahl verschiedener Objekttemperaturen exakt oder sogar ausgleichend ermittelt werden können.Of course, other unknown quantities can also be introduced, e.g. different ambient temperatures etc. in a thermally inhomogeneous environment, which with a correspondingly large number n of the spectral ranges and a corresponding Number of different object temperatures determined exactly or even in a compensatory manner can be.

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 £ i 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 ri des Spektrometers und den Transmissionsgrad Z i der Atmosphäre (welche beide natürlich temperaturunabhängig sind). Sind beispielsweise diese Größen (t Z i.ri) mit n = 4 und aus 3n = 12 Meßwerten ermittelt, genügen in den weiteren Schritten n = 4 Meßwerte zur ausgleichenden Bestimmung der zwei Unbekannten Tobj 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 Uberwachungen in längeren Zeiträumen zu verwenden.It is also possible to use all the knowledge gained once in the following To use measurement steps; for example, the temperature range is found in which the emissivity is independent of temperature, the once determined spectral Emissivity £ i can be used as known in the following measurements. That That means, as long as the object temperature is in the certain range, every spectral measurement can with only one temperature of the object already compensating for the determination of the object temperature and the ambient temperature are used; this also applies accordingly to the spectral sensitivity ri of the spectrometer and the transmittance Z i der Atmosphere (both of which are of course independent of temperature). Are for example these quantities (t Z i.ri) with n = 4 and determined from 3n = 12 measured values are sufficient in the further steps n = 4 measured values for the compensatory determination of the two unknowns Tobj and T. It is therefore possible for a large number of applications to use the test object only once or only at longer intervals for control purposes at several temperatures, to measure what can also be achieved through artificial heating and what is gained from it Use variables, for example, for monitoring over longer periods of time.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also nicht nur möglich, die Temperatur eines Objektes exakt zu ermitteln, 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.With the method according to the invention it is not only possible to determine the temperature of an object exactly, but can also its spectral emissivity and the temperature of the environment (or the temperatures thermally inhomogeneous environment). A very special benefit is that also from the radiation measurement of the object - without a separate one Calibration - also the influence of the spectral sensitivity of the measuring device and the Atmosphere is determined. So the method is "self-calibrating" and drifting the spectral sensitivity of the measuring device does not falsify the measurement results; so that a calibration and re-calibration of the measuring device is not required, which is a is an invaluable advantage for routinely used measuring instruments.

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.Another particular advantage of the invention, above described method is that with a correspondingly high number the spectral ranges and / or the object temperatures compensating for the measurement results determined, i.e. measurement inaccuracies are compensated.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 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" -1 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 bei- spielsweise einer Strahlungsmessung, wobei die wichtigsten Strahlungsteile angegeben sind.The invention will now be described with reference to the attached Drawings explained in more detail. 1 and 2 show graphical representations the transmittance of the atmosphere as a function of the wavelength for path lengths of 1 m or 3 m, those with the "Lowtran 5" model using the "Sommer in medium width "-1 with a spectral resolution of 5cm at a height of 0.5km are calculated with a visibility of 23km; 3 shows a schematic representation an apparatus for carrying out the method according to the invention, and FIG schematically a detailed representation of both for example one Radiation measurement, where the most important radiation parts are indicated.

ber Transmissionsgrad der Atmosphäre in Fig.1 und 2 ist für einen Wellenlängenbereich von 1pm bis 15m dargestellt. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist selbstverständlich nicht aüf diesen Wellenlängenbereich beschränkt, sondern vom ultraioletten Spektralbereich kontinuierlich bis zum sehr langwelligen Infrarotbereich, also bis in den Bereich der illi!n;eterwellen anwendbar. Der in den Fig.1 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 ( # i = 1).About the transmittance of the atmosphere in Fig.1 and 2 is for one Wavelength range from 1pm to 15m shown. The method according to the invention is of course not restricted to this wavelength range, but rather from the ultra-violet spectral range continuously to the very long-wave infrared range, thus applicable up to the range of the illi! n; eter waves. The one in Figures 1 and 2 The range shown, including the non-visible spectral range, is however particularly good for carrying out the procedure with the commonly occurring, natural and man-made temperatures of the environment including industrial Processes suitable. Of course, for path lengths from Im to 3m in the visible spectral range the transmittance of the atmosphere is equal to one (# i = 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 i = 1) ist; wie aber aus den Fig.1 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 2,6µm bis 2,8m oder etwa von 5,5m bis 7,3µm, etc.) gleich null ( # i = °); eine Messung in solchen Bereichen ist dann haeech 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 Ahzahl der Unbekannten gleich der oder kleiner als die Ant.ahl der Meßwerte (die noch Strahlungsenergie enthalten) ist.To carry out the method according to the invention, inter alia Energy reasons (radiation energy) Spectral ranges selected in which the transmittance the atmosphere is close to one (t i = 1); but as can be seen from Figures 1 and 2, the entire area shown there is certainly suitable. For longer distances the transmittance of the atmosphere in certain areas (e.g. from 2.6µm to 2.8m or approximately from 5.5m to 7.3µm, etc.) equal to zero (# i = °); one Haeech then no longer makes sense to measure in such areas; the procedure but leads to a result even with such measured values, if in addition to these There are enough other measured values in which radiation from the object to the Meter arrives as long as the number of unknowns is equal to or less than is the number of measured values (which still contain radiation energy).

Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die von einem Objekt 0 ausgehende Strahlung von einem Teleskop T eines Interferometerspektrometers IFS (eines Interferome- 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 S1 und eines beweglichen Spiegels S2 sowie einer Feldlinse FL unter Einbeziehung eines Detektors DO ein Interferogramm der einfallenden Strahlung erzeugt.In the embodiment shown in Figure 3 is of a Object 0 radiation emanating from a telescope T of an interferometer spectrometer IFS (of an interferome ters after Michelson) collected and -over steered a collimator lens KL into the interferometer. In the IFS interferometer is in a known manner by means of a beam splitter ST, a fixed mirror S1 and a movable mirror S2 and a field lens FL including a Detector DO generates an interferogram of the incident radiation.

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 RS1, 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.The interferogram is in the form of an electrical signal in a electrical amplifier V amplified and digitized by an analog-to-digital converter, with the help of a converter clock, which in a known manner with the help of another fixed mirror RS1, another beam splitter RST of a reference interferometer, another detector DL of the reference interferometer and an output amplifier RV from those used in the reference interferometer to measure the position of the mirror S2 Laser light of a laser L (for example a HeNe laser) is obtained.

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.ä.. Nach der Berechnung aller entsprechenden Spektren, die in Abhängigkeit von der spektralen Auflösungskraft des Interferometers 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 gemäß der Erfindung gebildet und gelöst oder ausgleichend gelöst. Alle ermittelten Werte oder einzelne, wie beispielsweise nur die Objekttemperaturen, können dann mit Hilfe eines Anzeigegeräts angezeigt werden.The digitized measured values (interferogram values) are either directly in a microcomputer through a mathematical Fourier transformation converted into the spectrum of the incident radiation and then converted into stored in a digital memory assigned to the microcomputer, or only on stored in this memory and later transformed. Similar measurements are made after changing the object temperature or the ambient temperature, or similar Calculation of all corresponding spectra, which depend on the spectral Resolving power of the interferometer a number from a few tens to several contain ten thousand or more spectral measured values, all spectral values become and / or from a larger or smaller number of selected values and / or off different groups of selected values the equation system according to the invention formed and loosened or loosened in a compensatory manner. All determined values or individual, such as only the object temperatures, can then with the help of a display device are displayed.

Der Mikrorechner verfügt über eine Befehlseingabeeinheit, huber die alle das Verfahren betreffenden Befehle in bekannter Weise flexibel aufgerufen, verknüpft, gestartet, etc.The microcomputer has a command input unit via which all commands pertaining to the procedure can be called up flexibly in a known manner, linked, started, etc.

werden können (beispielsweise Datenaufnahme vom Interferometerspektrometer, Fouriertransformation, Aufstellung und Lösung des Gleichungssystems etc.).(e.g. data acquisition from the interferometer spectrometer, Fourier transformation, setting up and solving the system of equations, 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 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch bei Verwendung einfacher, fortschrittlicher (bisher recht aufwendiger) Interferometerspektrometer als transportables Gerät gestaltet werden kann, das breite und wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.In a modification of the embodiment described, it is also possible use other spectroradiometers (e.g. filter radiometers). Basically any number of spectral ranges can be used under the condition that the system of equations is solvable. The storage, processing and output the measured values and the results can be carried out on various media and computers will. Since, in general, the smallest possible number of measured values is required is a microcomputer for data acquisition and calculation of the results sufficient so that the device for performing the method according to the invention even when using simple, advanced (previously quite complex) interferometer spectrometers Can be designed as a portable device that has wide and economical application possibilities opened.

Fig.4 zeigt schematisch in ausführlicher Darstellung beispielhaft eine Strahlungsmessung, wobei die wichtigsten auftretenden Strahlungsteile wiedergegeben sind. Hierbei bedeuten in Fig.4: die Wellenzahl rcm 1 (inverse Wellenlänge), bezüglich der Umgebung des Objekts: L u die Strahl dichte der Umgebung als eine Funktion von 9' und: Tu die Umgebungstemperatur der (die) Emissionsgrad(e) der Umgebung (die selbst eine Funktion von V sind) bezüglich des Objekts: LK die Strahldichte des Objekts, als Funktion von und: TK die Objekttemperatur den Emissioinsgrad ferner den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad des Objekts, die jeweils Funktionen von V sind; bezüglich der Atmosphäre: den Transmissionsgrad At sAt den Emissionsgrad P At den Reflexionsgrad der Atmosphäre, die jeweils Funktionen von sind LAtEM die Strahl dichte der von der Atmosphäre emittierten Strahlung, die Funktion der Atmosphärentemperatur, von U und von S At ist; LAtSu die Strahl dichte der an der Atmosphäre gestreuten Strahlung von Objekten der Umgebung (der Atmosphäre) bezüglich der Umgebung der Atmosphäre (anders als die des Objekts): Eluat die Strahl dichte der Umgebung der Atmosphäre, die Funktion von P ist und: TuAt die Temperatur der Umgebung der Atmosphäre und EuAt den Emissionsgrad der (Objekte) der Umgebung der Atmosphäre bezüglich des Meßgerätes: LSE die Strahl dichte des Meßgeräts (Strahlungsempfängers), die eine Funktion von V ist und: TE die Temperatur des Meßgeräts den Emissionsgrad der inneren Oberflächen des Meßgeräts; ferner: den Emissionsgrad den Transmissionsgrad der inneren Komponenten des Meßgerätes R( Z ) die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts als Funktion der Wellenzahl Z , wobei die Empfindlichkeit dem ri in den vorherigen Gleichungen (dort als Funktion der Wellenlänge t) entspricht und UE( C' ) das aus der empfangenen Strahlung vom Detektor erzeugte elektrische Signal des Meßgeräts, das eine Funktion von M ist.FIG. 4 shows schematically in a detailed representation, by way of example, a radiation measurement, the most important radiation parts occurring being reproduced. In Fig. 4: the wave number rcm 1 (inverse wavelength), with respect to the environment of the object: L u is the ray density of the environment as a function of 9 'and: Tu the ambient temperature of the emissivity (s) of the environment (which are themselves a function of V) with regard to the object: LK is the radiance of the object, as a function of and: TK is the object temperature, the degree of emission, and also the degree of reflection and the degree of transmission of the object, each of which are functions of V; with respect to the atmosphere: the transmittance At sAt the emissivity P At the reflectance of the atmosphere, which are functions of LAtEM is the density of the radiation emitted by the atmosphere, the function of atmospheric temperature, of U and of S At; LAtSu is the radiation density of the radiation scattered in the atmosphere from objects in the environment (the atmosphere) with respect to the surroundings of the atmosphere (different from that of the object): Eluate is the radiation density of the surroundings of the atmosphere, the function of P and: TuAt the temperature the environment of the atmosphere and EuAt the emissivity of the (objects) in the environment of the atmosphere with respect to the measuring device: LSE the beam density of the measuring device (radiation receiver), which is a function of V and: TE the temperature of the measuring device the emissivity of the inner surfaces of the measuring device ; also: the emissivity the transmittance of the inner components of the measuring device R (Z) the spectral sensitivity of the measuring device as a function of the wave number Z, the sensitivity corresponding to the ri in the previous equations (there as a function of the wavelength t) and UE (C ') that from the received radiation from Detector generated electrical signal from the meter, which is a function of M.

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 s K( M ) = const.) durch die Einflüsse von Umgebung, Atmosphäre und Meßgerät fortlaufend verändert wird. In Fig.4 the parts "object, environment, atmosphere, measuring device" differentiated, and it is indicated which radiation components occur where, or how they are changed; for this purpose, there are small coordinate systems at four locations drawn along the path of the radiation, which contain qualitative spectra that contain indicate how the spectral characteristics of the object radiation from the location of the object (where Planck's law is characteristic, for s K (M) = const.) by the Influences of the environment, atmosphere and measuring device is continuously changed.

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 wird also EK + gK = 1, d.h., ist gegebenenfalls ZK 4 O, so wird angenommen, daß die Umgebungsstrahlung das Objekt entsprechend #K 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 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. ri), der spektralen Empfindlichkeit des Meßgeräts zusammengefaßt, während alle Strahlungsanteile, die vom Meßgerät stammen, zur (Eigenstrahlung) Strahldichte LSE zusammengefaßt werden. The object is determined by its temperature and its spectral emission, Degree of reflection and transmission described; describe the corresponding sizes also the environment, whereby the object and the environment are here for the sake of simplicity of the quantities describing them are viewed as spatially homogeneous (whereby the Transmittance of the object is set to zero). So EK + gK = 1, i.e., if ZK 4 O, it is assumed that the ambient radiation is the object according to #K penetrates from all sides, also from the rear. the Radiation emanating from the object is therefore the sum of the object radiation and the reflected radiation Ambient radiation. On the way through the atmosphere, both parts pass through changes the spectral transmittance of the atmosphere (multiplicatively) and (additively) extended by the radiation emitted by the atmosphere itself and by the Atmosphere scattered ambient radiation (with this environment at least for long Paths through the atmosphere are different from the surroundings of Object). Overlay on the way through the measuring device (from the optics to the detector) (additively) further radiation components of the received radiation, namely the Radiation emitted from the internal components and surfaces of the meter. In addition, the radiation is (multiplicatively) from components such as filters, Lenses, mirror surfaces, etc. of the measuring device, as well as the spectral sensitivity of the detector (if this is not constant in the measuring range). These multiplicative Influences are in the factor R (/) (or ri), the spectral sensitivity of the measuring device summarized, while all radiation components that originate from the measuring device to (natural radiation) Radiance LSE can be summarized.

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.All the quantities described here are initially unknown; let them but all determine themselves by in accordance with the method according to the invention in sufficiently large number of wavelength ranges and with a sufficient number of different ones Temperatures of the object or the environment, etc. carries out radiation measurements, so that a certain or overdetermined system of equations is obtained. Is one however, as in the present case, mainly in determining the temperature interested in the object, it is of course expedient by appropriate interpretation of the measuring device and the measuring arrangement as many variables as possible (in which one is not interested is) to be made negligible.

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 Strahl dichte LSE gegeben durch die Temperatur T E des Gerätes. Der Emissionsgrad 6 der inneren Oberflächen des E 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- genbereiche der Messung so ausgewählt, daß in ihnen die Transmission der Atmosphäre zu 2-At = 1 gesetzt werden kann.For example, the measuring device is used as an interferometer spectrometer only designed with reflective optics and stabilizes the temperature of the entire device, as a good approximation, the combination of the device's own radiation into one applies Beam density LSE given by the temperature T E of the device. The emissivity 6 of the inner surfaces of the E device become the same through extensive use Materials kept uniform. If the measuring task allows it, a detector is used used with a wavelength-independent sensitivity. Become useful the wavelength gen areas of measurement selected so that in them the transmission of the atmosphere can be set to 2-At = 1.

Darüber hinaus wird der (additive) Anteil der Strahlungsanteile der Atmosphäre LAtSu und LAtEM vernachlässigbar, indem der Weg zwischen Meßgerät und Objekt kurz gehalten wird.In addition, the (additive) proportion of the radiation components is the Atmosphere LAtSu and LAtEM can be neglected by the path between measuring device and Object is held briefly.

Gegebenenfalls wird durch entsprechende Abschirmungen (z.B.If necessary, appropriate shields (e.g.

durch einen Tubus am Meßgerät, der nahe ans Objekt reicht) eine homogene Umgebungsstrahlung erreicht, so daß also nur eine Umgebungstemperatur zugrunde gelegt werden muß.through a tube on the measuring device that reaches close to the object) a homogeneous Ambient radiation reached, so that only an ambient temperature is used must become.

Bei Messung in n Wellenlängenbereichen und bei m verschiedenen Objekttemperaturen sind dann unbekannt: m x TOb die Objekttemperatur n x £i der spektrale Emissionsgrad des Objektes 1 x TUmg die Umgebungstemperatur 1 x TM die Temperatur des Meßgeräts (innen) 1 x r. = const die spektrale Empfindlichkeit des Meßgeräts also n+m+3unbekannte Größen stehen n.m Meßwerten gegenüber.When measuring in n wavelength ranges and at m different object temperatures are then unknown: m x TOb the object temperature n x £ i the spectral emissivity of the object 1 x TUmg the ambient temperature 1 x TM the temperature of the measuring device (inside) 1 x r. = const the spectral sensitivity of the measuring device, i.e. n + m + 3unknown Variables are opposed to measured values.

Für m = 2 Objekttemperaturen und n = 5 Wellenlängenbereiche ist also schon eine selbstkalibrierende Messung möglich.For m = 2 object temperatures and n = 5 wavelength ranges, a self-calibrating measurement is already possible.

Natürlich ist generell eine Vergrößerung der Anzahl m der Objekttemperaturen wirkungsvoller als die Verwendung von mehr Wellenlängenbereichen. Unter der Voraussetzung, daß ri + const, also wellenlängenabhängig ist, hat man n unbekannte Werte von ri, also es liegen 2n+m+2 Unbekannte gegenüber n-m Meßwerten vor und mit m = 3 und n = 5 ist das Gleichungssystem bestimmt.Of course, there is generally an increase in the number m of object temperatures more effective than using more wavelength ranges. Provided, that ri + const, i.e. depends on the wavelength, one has n unknown values of ri, So there are 2n + m + 2 unknowns compared to n-m measured values and with m = 3 and n = 5 the system of equations is determined.

Für diese Beispiele ist der Emissionsgrad der inneren Oberflächen d.es Meßgeräts zu es = const = 1 angenommen worden.For these examples is the emissivity of the interior surfaces of the measuring device has been assumed to be es = const = 1.

Es gelten dann folgende Gleichungen: 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.The following equations then apply: The different radiation components (in the above explanations) naturally have different meanings in the different wavelength ranges; For example, the natural radiation of the device in the visible can usually be neglected; (The same applies to the emissivity, etc.). The explanations have general validity, but are especially tailored to the infrared radiation range, which is probably the most important for technical implementation.

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 n Spektralbereichen vor und sind außer diesen Meßwerten sonst keine Informationen vorhanden, insbesondere auch nicht darüber, bei welchen n 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 14 pm), so können alle unbekannten Größen, insbesondere auch die Spektralbereiche (Wellenlängen) der Messungen errechnet oder ausgleichend errechnet werden.The method according to the invention also has a further application feasible, which is, however, generally of secondary importance in practice has: Are measurements available at m object temperatures in n spectral ranges each and Apart from these measured values, no other information is available, in particular also not about the n wavelengths (spectral ranges) at which the measurements were carried out (besides the fact that their location should be roughly known, for example in the visible or in the range 3 to 5 pm or in the range 8 to 14 pm), so can all unknown quantities, especially the spectral ranges (wavelengths) of the Measurements can be calculated or calculated to compensate.

Sind beispielsweise: n Spektralbereiche der Messungen n Werte des spektralen Emissionsgrades des Objektes n Werte r.. ri (Produkt von spektraler Empfindlichkeit 1 1 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 n = 6 und m = 4 das Gleichungssystem lösbar; für n = 6 und m = 5 ist es bereits (um 5 Meßwerte) überbestimmt.Are for example: n spectral ranges of the measurements n values of the spectral emissivity of the object n values r .. ri (product of spectral sensitivity 1 1 of the measuring device and the spectral transmission of the Atmosphere) m object temperatures an ambient temperature and a temperature of the If the measuring device is unknown, there are 3n + m + 2 unknowns opposite again n.m measured values before. Then, for example, for n = 6 and m = 4, the system of equations can be solved; for n = 6 and m = 5 it is already overdetermined (by 5 measured values).

Ende der BeschreibungEnd of description

Claims (14)

Patentansprüche ( 1 9 erfahren zur berührungslosen, emissionsgradunabhängigen Strahlungsmessung der Temperatur eines Objektes, bei welchem Verfahren in n Wellenlängenbereichen (Spektralbändern) im Sichtbaren und/oder Infraroten und bei m Temperaturen des Objektes nacheinander Strahl dichten oder -stärken erfaßt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß aus einer Reihe von jeweils mindestens n = 4 Strahl dichten 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 Cl ei chungssysstem die Meßwerte mit Hilfe des Planck'schen Strahlungsgesetzes jeweils als Summe der Strahldichte (-stärke) eines Strahlers mit der Temperatur und dem spektralen Emissionsgrad ( E i) des Objektes und der Strahldichte (-stärke) eines Strahlers (von Umgebungseinflüssen) mit der Temperatur der Umgebung, die am Objekt mit einem spektralen Reflexionsgrad des Objektes (3 = 1 -(eins minus spektralen Emissionsgrad) reflektiert wird, bei den jeweils n Meßwellenlängen ( # i) dargestellt werden, wobei die Summe noch mit einem Produkt ( i aus der spektralen Empfindlichkeit ¢ri) des Meßobjektes und dem Transmissionsgrad ( b i) der Atmosphäre multipliziert wird, welches Produkt auch bei den jeweils n Meßwellenlangen ( X i mit i = 4,.. ..., n;) ermittelt werden, und die bei der Lösung des Gleichungssystems gefundenen m Objekttem-' peraturen als die wahren m Objekttemperaturen ermittelt werden. Claims (1 9 experienced for contactless, emission level-independent Radiation measurement of the temperature of an object, with which method in n wavelength ranges (Spectral bands) in the visible and / or infrared and at m temperatures of the object one after the other beam densities or strengths are detected, thereby g e k e n n z e i c h n e t that from a series of at least n = 4 beam dense or -strengths from the measurements of at least m = 3 different temperatures of the object (0) an equation system of n.m = 12 unknowns and n.m = 12 measured values is formed will; by the Cl ei chungssysstem the measured values with the help of Planck's law of radiation in each case as the sum of the radiance (intensity) of a radiator with the temperature and the spectral emissivity (E i) of the object and the radiance (intensity) of a radiator (from environmental influences) with the temperature of the environment, which on Object with a spectral reflectance of the object (3 = 1 - (one minus spectral Emissivity) is reflected, shown at the respective n measurement wavelengths (# i) where the sum is still with a product (i from the spectral sensitivity ¢ ri) of the test object and the transmittance (b i) of the atmosphere is multiplied, which product is also for the respective n measurement wavelengths (X i with i = 4, .. ..., n;) can be determined, and when solving the system of equations found m object temperatures' determined as the true m object temperatures will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß der bei der Lösung des Gleichsungssystems gefundene, spektrale Emissionsgrad des Objektes (n Werte des spektralen Emissionsgrades bei den n Wellenlängen eines Meßgerät tes) als der wahre spektrale Emissionsgrad des Objektes (O) ermittelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the spectral emissivity found when solving the system of equations of the object (n values of the spectral emissivity at the n wavelengths of a Measuring device tes) as the true spectral emissivity of the object (O) is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß die bei der Lösung des Gleichungssystems gefundene(n) Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen - bei thermisch inhomogener Umgebung) als die wahre(n) Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen bei thermisch inhomogener Umgebung) ermittelt wird (werden).3. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the ambient temperature (ambient temperatures - in a thermally inhomogeneous environment) than the true ambient temperature (ambient temperatures in a thermally inhomogeneous environment) is (are) determined. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, 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).4. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the temperature of the measuring device found when solving the system of equations (Temperatures of the inner surface of the measuring device) than the true temperature (Temperatures of the inner surfaces of the measuring device are determined. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß das bei der Lösung gefundene Produkt (ri Wi) aus der spektralen Empfindlichkeit (ri) des Meßgeräts und dem spektralen Transmissionsgrad (t.) der Atmosphäre (n Werte bei den n Wellenlängen des Meßgeräts) als das wahre Produkt (ri ti) aus der spektralen Empfindlichkeit (ri) des Meßgeräts und dem spektralen Transmissionsgrad ( r i) der Atmosphäre ermittelt wird.5. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the product found in the solution (ri Wi) from the spectral sensitivity (ri) of the measuring device and the spectral transmittance (t.) of the atmosphere (n values at the n wavelengths of the measuring device) as the true product (ri ti) of the spectral Sensitivity (ri) of the measuring device and the spectral transmittance (r i) of the Atmosphere is determined. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß alle aus dem Gleichungssystem ermittelten Größen, nämlich m Objekttemperaturen, die Umgebungstemperatur (Umgebungstemperaturen - thermisch inhomogener Umgebung),die innere Temperatur des Meßgeräts, n Werte des spektralen Emissionsgrades des Objektes und n Werte des Produktes ri.Zi aus der spektralen Empfindlichkeit r. des Meßgerätes und dem spektralen Transmissionsgrad Zi der Atmosphäre ausschließlich durch Lösung des Gleichungssystems rechnerisch aus den Meßwerten ermittelt werden.6. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that all quantities determined from the system of equations, namely m object temperatures, the ambient temperature (ambient temperatures - thermally inhomogeneous environment), the internal temperature of the measuring device, n values of the spectral emissivity of the object and n values of the product ri.Zi from the spectral sensitivity r. of the measuring device and the spectral transmittance Zi of the atmosphere exclusively through solution of the equation system can be determined arithmetically from the measured values. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß bei entsprechend großer Wahl von n 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.7. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that with a correspondingly large selection of n spectral ranges and / or m object temperatures the number n.m of the mutually independent measured values is increasingly greater than the Number of unknown quantities that thus an overdetermined system of equations is formed and this system of equations is solved with the help of the equalization calculation, and that measurement inaccuracies are compensated for, whereby the determined Values of the unknown quantities become more precise. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, 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 n Spektralbereichen und m Objekttemperaturen ein System von entsprechend vielen n.m Meßwerten erfaßt wird, und das damit erstellte Gleichungssystem gelöst oder ausgleichend gelöst wird und dabei alle Unbekannten bestimmt oder ausgleichend bestimmt werden.8. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that other than the previously mentioned, unknown, variables to be determined, for example several ambient temperatures in a thermally inhomogeneous environment caused by the atmosphere emitted radiation, or the spectral transmittance of the object, if this Is radiation permeable, or several object temperatures at the same time or one after the other in the case of thermally inhomogeneous objects or the object and / or the environment Geometry factors, generally all factors that affect the radiation emanating from the object, their way to the measuring device and in the measuring device to the final measured value in any one Way to be introduced into the system of equations, according to the given number of unknowns by appropriate choice of n spectral ranges and m object temperatures a system of a corresponding number of n.m measured values is recorded will, and the system of equations thus created is solved or compensated is solved and thereby all unknowns are determined or compensated determined. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß das Objekt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, aufgrund seiner Funktion und Beschaffenheit verschiedene Temperaturen annimmt, oder aber durch irgendeine Art von Heizung erzwungen verschiedene Tempe'raturen annimmt.9. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the object whose temperature is to be determined is based on its function and texture assumes different temperatures, or by any one Kind of heating force assumes different temperatures. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Verfahren in entsprechender Weise angewandt wird, wenn die Objekttemperatur unverändert ist, die Umgebungstemperatur von selbst oder erzwungen verschiedene Werte annimmt.10. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the method is applied in a corresponding manner when the object temperature is unchanged, the ambient temperature by itself or forcibly different Values. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, 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 1 > k ist, und daß dabei alle Unbekannten bestimmt oder ausgleichend bestimmt werden.11. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the method is applied in a corresponding manner, if any Number of arbitrary unknowns takes a number of k different values and at the same time a number 1 of measured values is obtained, with the condition, that 1> k, and that all unknowns are determined or compensated for will. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß für wiederholte Messungen alle aus vorhergehenden Meßgängen ermittelten Größen, welche als unveränderlich anzusehen sind (wie beispielsweise das Produkt ri. fi) 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.12. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that, for repeated measurements, all quantities determined from previous measurements, which are to be regarded as unchangeable (such as the product ri. fi) as known quantities are included in the system of equations, and that from a reduced number of measured values (for example a measurement with only one (m = 1) object temperature) determines or compensates for the remaining unknown variables to be determined. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß bei einer entsprechend großen Anzahl von m (verschiedenen Temperaturen des Objekts oder auch der Umgebung, etc.) und von n Spektralbereichen (Wellenlängenbereichen) des Meßgerätes nur die Meßwerte selbst bekannt sein müssen, und daß alle unbekannten Größen, auch die Spektralbereiche (Wellenlängenbereiche) des Meßgeräts berechnet oder ausgleichend berechnet werden.13. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that with a correspondingly large number of m (different temperatures of the Object or the Environment, etc.) and from n spectral ranges (Wavelength ranges) of the measuring device only the measured values themselves need to be known, and that all unknown quantities, including the spectral ranges (wavelength ranges) of the measuring device can be calculated or compensated. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Strahlungsmessung ein Interferometerspektrometer (IFS) verwendet wird, dabei die Anzahl n der spektralen Bereiche (Meßwerte) sehr hoch wählbar ist, die spektralen Meßwerte alle dieselbe spektrale Breite (in [cm-1] , also Wellenzahlen) haben, und daher die Rechnungen in Wellenzahlen fcm1 oder Wellenlängen [µm] durchgeführt werden (d.h. eine Korrektur unterschiedlicher spektraler Breiten der Meßbereiche entfällt). 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized g e k e n n z e i c h n e t that an interferometer spectrometer (IFS) is used to measure radiation is used, the number n of spectral ranges (measured values) being very high can be selected, the spectral measured values all have the same spectral width (in [cm-1], i.e. wave numbers), and hence the calculations in wave numbers fcm1 or wavelengths [µm] (i.e. a correction of different spectral widths the measuring ranges are omitted).
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