VDI VDE 3511 Blatt 4 5-2015 Temperature measurement in industry - Radiation thermometry - Practical application of radiation thermometers.pdf

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1、ICS 17.200.20 VDI/VDE-RICHTLINIEN Juni 2015 June 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Technische Temperaturmessung Strahlungsthermometrie Praktische Anwendung von Strahlungsthermometern Temperature measurement in industry Radiation thermometry Pr

2、actical application of radiation thermometers VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 / Part 4.5 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the Engl

3、ish translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI-Handbuch Energietechnik VDI/VDE-Handbuch Optische Technologien Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckeni

4、chtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:04.14Entwurf, deutschFormeredition:04/14Draft,inGerman onlyZu beziehen durch/ AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page

5、 Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 3 Kriterien fr die Auswahl des optimalen Wellenlngenbereichs fr Strahlungsthermometer mit einem Wellenlngenbereich 4 3.1 Temperaturmessbereich . 4 3.2 Einfluss des Tageslichts . 5 3.3 Materialeigenschaften de

6、s Messobjekts . 6 3.4 Einfluss der Atmosphre und Zwischenmedien zwischen Messgert und Messobjekt 11 3.5 Verhltnis-Strahlungsthermometer 14 4 Einflsse bei der praktischen Anwendung von Strahlungsthermometern 17 4.1 Emissionsgrad 17 4.2 Umfeldfaktor (SSE) . 24 5 Die korrespondierenden Vier“ . 28 6 Abs

7、chtzung der Messunsicherheit in der Anwendung . 31 6.1 Applikation 31 6.2 Beispiel aus der Flachglasproduktion 32 Schrifttum 38 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Symbols and abbreviations . 3 3 Criteria for selecting the optimum wavelength range for radiation thermometers with one wa

8、velength range 4 3.1 Temperature measurement range . 4 3.3 Effect of daylight . 5 3.3 Material properties of the measured object . 6 3.4 Effect of the atmosphere and intervening media between the equipment and the object . 11 3.5 Ratio radiation thermometers . 14 4 Effects during the practical use o

9、f radiation thermometers 17 4.1 Emissivity 17 4.2 Size-of-source effect (SSE) . 24 5 The “corresponding four” 28 6 Estimating measurement uncertainties in practical applications . 31 6.1 Application 31 6.2 Example from sheet glass production 32 Bibliography 38 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB

10、7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 2 VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 / Part 4.5 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des

11、 Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern ger

12、egelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3511. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict

13、accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard wi

14、thout infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on t

15、he Internet at www.vdi.de/3511. Einleitung Die Richtlinien VDI/VDE 3511 Blatt 4, Blatt 4.2 und Blatt 4.4 sowie DIN IEC/TS 62492-2 vermitteln die physikalischen Grundlagen der Strahlungs-thermometrie, definieren die metrologisch relevanten Gerte-spezifikationen von Strahlungsthermometern, erlutern ih

16、re experimentelle Bestimmung und beschreiben die Kalibrierung von Strahlungs-thermometern unter Angabe eines Unsicher-heitsbudgets. Diese Richtlinie beschreibt wesentliche Einfluss-gren auf die Messgenauigkeit, die bei der prakti-schen Anwendung von Strahlungsthermometern beachtet werden mssen. Es w

17、erden Hinweise zur Auswahl des geeigneten Wellenlngenbereichs fr die berhrungslose Tem-peraturmessung gegeben. Dazu werden typische Emissionsgrade wichtiger Werkstoffe fr unter-schiedliche Wellenlngenbereiche in einer Tabelle zusammengefasst und einfache Verfahren zur Er-mittlung des Emissionsgrads

18、beschrieben. Der Einfluss des Zwischenmediums zwischen Messob-jekt und Thermometer sowie der Temperatur des Messobjekts auf den geeigneten Wellenlngenbe-reich fr die Messung wird betrachtet. Der Einfluss der Temperatur des Messobjekts, der Messfeldgr-e und der Einstellzeit auf die erreichbare Tempe-

19、raturauflsung wird diskutiert. Die Bedeutung der unterschiedlichen Einflussgren wird anhand von Zahlenbeispielen anschaulich gemacht. Fr einen konkreten Anwendungsfall wird die Messunsicher-heit unter Bercksichtigung der typischen Einfluss-gren exemplarisch ermittelt. Introduction The standards VDI/

20、VDE 3511 Part 4, Part 4.2 and Part 4.4 as well as DIN IEC/TS 62492-2 discuss the physical foundations of radiation thermome-try, define the metrologically relevant technical specifications of radiation thermometers, explain their experimental measurement, and describe the calibration of radiation th

21、ermome-ters, quoting an uncertainty level. This standard describes significant factors that affect accuracy and have to be allowed for in prac-tical use of radiation thermometers. Information is provided on selecting a suitable wavelength range for non-contact temperature measurement, with typical e

22、missivities of im-portant materials in various wavelength ranges summarised in a table and simple methods for ob-taining the emissivity described. The effect of the intervening medium between the measured object and the thermometer and of the objects tempera-ture on the suitable wavelength range are

23、 consid-ered. The effects of the objects temperature, of measuring field size and of the response time on the achievable temperature resolution are dis-cussed. The significance of the various factors is illustrated with the help of numerical examples. For a concrete application, the measurement unce

24、r-tainty is calculated as a practical example, taking the typical influencing factors into consideration. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 / Part 4.5 3 1 Anwendungsbereich D

25、iese Richtlinie gilt fr die Anwendung von Strah-lungsthermometern. Sie nimmt keinen Bezug auf die Anwendung von Infrarot-Ohrthermometern. 1 Scope This standard applies to the use of radiation ther-mometers. It does not cover the use of infrared ear thermometers. 2 Formelzeichen und Abkrzungen Formel

26、zeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Bezeichnung Einheit A Blendendurchmesser mAm grter Blendendurchmesser m a Scharfpunktabstand m d0Messfeld-Nenndurchmesser m E Abstand des Strahlers zum Strah-lungsthermometer m e Messabstand m M

27、Messfelddurchmesser mS(A) Umfeldfaktor 1 T Temperatur C TSUUmgebungstemperatur C TWTemperatur des Objekts C Emissionsgrad 1 mEmissionsgradsteller 1 pEmissionsgrad fr Polarisations-ebene parallel zu der durch Fl-chennormale und Beobachtungs-richtung definierten Ebene 1 sEmissionsgrad fr Polarisations

28、-ebene senkrecht zu der durch Flchennormale und Beobach-tungsrichtung definierten Ebene 1 Transmissionsgrad 1 Reflexionsgrad 1 Wellenlnge m, m Beobachtungswinkel (0 ent-spricht einem Beobachtungswin-kel senkrecht zur Oberflche (Flchennormale) Mgemessene Strahlungsleistung W SUStrahlungsleistung der

29、Umge-bung W WStrahlungsleistung des Objekts W 2 Symbols and abbreviations Symbols The following symbols are used throughout this standard: Symbol Designation Unit A aperture diameter mAm largest aperture diameter m a focal distance m d0nominal measuring field diameter m E distance between the emitte

30、r and the radiation thermometer m e measuring distance m M measuring field diameter mS(A) size-of-source effect 1 T temperature C TSUambient temperature C TWtemperature of the object C emissivity 1 memissivity adjuster 1 pemissivity for polarisation plane parallel to the plane defined by surface nor

31、mal and direction of observation 1 semissivity for polarisation plane perpendicular to the plane de-fined by surface normal and di-rection of observation 1 transmissivity 1 reflectivity 1 wavelength m, m viewing angle (0 is a viewing angle perpendicular to the surface normal) Mmeasured radiant power

32、 W SUambient radiant power W Wthe objects radiant power W Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Abkrzungen verwendet: SSE Umfeldfaktor NETD rauschquivalente Temperaturdifferenz Temperaturauflsung PTFE Polytetrafluorethylen Abbreviations The following abbreviations are u

33、sed throughout this standard: SSE size-of-source effect NETD noise-equivalent temperature difference temperature resolution PTFE polytetrafluorethylene B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 4 VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 / Part 4.5 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher In

34、genieure e.V., Dsseldorf 2015 3 Kriterien fr die Auswahl des optimalen Wellenlngenbereichs fr Strahlungsthermometer mit einem Wellenlngenbereich Der erforderliche Temperaturmessbereich ist fr die Auswahl des Wellenlngenbereichs von zentra-ler Bedeutung. Darber hinaus sind Einflsse durch Fremdstrahlu

35、ng und Tageslicht, durch atmo-sphrische Absorptionen sowie absorbierende Me-dien (z. B. Gase und Stube) zwischen dem Strah-lungsthermometer und dem Messobjekt zu berck-sichtigen. In den folgenden Abschnitten wird dargestellt, wie diese Einflussgren die Wahl des optimalen Wel-lenlngenbereichs bestimm

36、en. 3 Criteria for selecting the optimum wavelength range for radiation thermometers with one wavelength range The required temperature range is decisive for selecting the wavelength range. In addition, the effects of extraneous radiation and daylight, at-mospheric absorptions and absorbing media (e

37、.g. gases and dusts) between the thermometer and the measured object should be taken into account. The sections below describe how these factors determine the choice of the optimum wavelength range. 3.1 Temperaturmessbereich Der Temperaturmessbereich und der spektrale Emissionsgrad des Messobjekts l

38、egen zusammen mit der gewnschten Messfeldgre und Mess-unsicherheit den in der Praxis verwendbaren Wel-lenlngenbereich fest. Dieser ist so zu whlen, dass insbesondere bei der niedrigsten zu messenden Temperatur noch ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhltnis erzielt wird. Bild 1 zeigt, dass die spektr

39、ale Strahldichte sowohl zu niedrigeren Tem-peraturen als auch zu krzeren Wellenlngen um viele Zehnerpotenzen abfllt. Das bedeutet, dass tendenziell fr die Messung niedriger Temperatu-ren Strahlungsthermometer mit lngeren und fr die Messung hoher Temperaturen solche mit kr-zeren Messwellenlngen einge

40、setzt werden kn-nen. 3.1 Temperature measurement range The temperature range and the spectral emissivity of the measured object, together with the desired measuring field size and measurement uncertainty, determine the wavelength range that can be used in practice. It should be chosen in such a way

41、that an adequate signal-to-noise ratio is obtained, especial-ly at the lowest temperature to be measured. Fig-ure 1 shows that the spectral radiance drops off by many orders of magnitude both at lower tempera-tures and at shorter wavelengths. This means that as a general rule, radiation thermometers

42、 relying on longer wavelengths can be used to measure lower temperatures, and those relying on shorter ones can be used for higher temperatures. Bild 1. Spektrale Strahldichte eines schwarzen Krpers bei verschiedenen Temperaturen Figure 1. Spectral radiance of a black body at various temperatures B5

43、5EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 / Part 4.5 5 Die deutliche Abnahme der spektralen Strahldichte bei niedrigeren Temperaturen bedeutet auch, dass neben greren Messwellenlngen a

44、uch Optiken mit greren Lichtstrken fr die Messung niedri-ger Strahlungstemperaturen verwendet werden mssen. Optische Strahlengnge mit einem hohen Distanzverhltnis, also einem relativ kleinen Mess-felddurchmesser im Verhltnis zur Entfernung, sind damit deutlich aufwendiger zu realisieren. Auch schlan

45、ke“ Strahlengnge mit kleinem Durchmesser des erfassten Strahlenkegels sind nicht immer mglich. Das gilt insbesondere, wenn gleichzeitig kurze Einstellzeiten und eine hohe Temperaturauflsung gefordert werden. The marked decrease in spectral radiance at lower temperatures also means that in addition t

46、o meas-uring at longer wavelengths, wider optical systems need to be used for measuring lower radiation tem-peratures. This makes optical beam paths with a high distance ratio, i.e. a relatively small measur-ing field diameter compared with the distance, significantly more costly to implement. “Slim

47、” beam paths with a small-diameter captured beam cone are also not always possible. This applies especially where both short response times and a high temperature resolution are required. 3.2 Einfluss des Tageslichts Der Einfluss des Tageslichts spielt in der Strah-lungsthermometrie vor allem fr den

48、 Wellenln-genbereich unter 2,5 m eine Rolle. Bild 2 zeigt die spektrale Verteilung des Sonnenlichts, gemes-sen auf Meereshhe. Die spektrale Verteilung des Sonnenlichts oberhalb der Erdatmosphre entspricht angenhert der eines schwarzen Strahlers von etwa 5800 K und wird durch die Atmosphre gefiltert

49、(teilweise absor-biert). Die Einbrche im Spektrum entstehen dabei im Wesentlichen durch die Absorptionen von Was-serdampf, Kohlendioxid und Sauerstoff, die in der Atmosphre vorhanden sind. Der grte Anteil der Bestrahlungsstrke des Tageslichts befindet sich im sichtbaren Wellenlngenbereich zwischen 0,4 m und 0,7 m Wellenlnge und nimmt dann bis zu einer Wellenlnge von etwa 2,