VDI VDE 3511 Blatt 4-2011 Temperature measurement in industry - Radiation thermometry.pdf

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1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKTechnische TemperaturmessungStrahlungsthermometrieTemperature measurement in industryRadiation thermometryVDI/VDE 3511Blatt 4 / Part 4Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Struk

2、turanalyseVDI-Handbuch EnergietechnikVDI/VDE-Handbuch Optische TechnologienVDI/VDE-RICHTLINIENICS 17.200.20 Dezember 2011 December 2011Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich

3、. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.FrhereAusgaben: 01.95; 05.10 Entwurf, deutsch Former editions: 01/95; 05/10Draft, in German onlyZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin All

4、eRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2011VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachbereich Prozessmesstechnik und StrukturanalyseInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Temperaturstrahlung . . . . . . . . . . . . 42.2 Grundtypen von Strahlungstemperatur-Messgerten . . . . . 62.3 Kriterien fr den sinnvollen Einsatz von Strahlungstemperatur-Messgerten. . . 92

6、.4 Einzuhaltende allgemeine messtechnische Grundstze . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1 Strahlungsphysikalische Gren und ihre Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Schwarzer Strahler . . . . . . . . . . . . . 143.3 Der reale Strahle

7、r (Messobjekt). . . . . . . 194 Strahlungsthermometer . . . . . . . . . . . . 214.1 Strahldichte-Strahlungsthermometer . . . . 224.2 Verhltnis-Strahlungsthermometer . . . . . 524.3 Mehrkanal-Strahlungsthermometer . . . . . 644.4 Optische Abbildungsbedingungen . . . . . 644.5 Bauarten und Spezifikati

8、onen von Strahlungsthermometern . . . . . . . . . . 684.6 Prfung von Strahlungsthermometern . . . 794.7 Kalibrierung von Strahlungsthermometern . 805 Linienscanner und Linienkameras . . . . . . 855.1 Linienscanner . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2 Linienkameras. . . . . . . . . . . . . . . . 875

9、.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . 88Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Thermal radiation. .

10、. . . . . . . . . . . . 42.2 Basic types of radiation temperature measuring devices. . 62.3 Criteria for the sensible use of radiation temperature measuring devices. . 92.4 General instrumentation principles to be observed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Fundamental principles . . . . . . .

11、. . . . . 113.1 Physical quantities and their units . . . . . 11 3.2 Black body . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3 The real radiator (measured object) . . . . 194 Radiation thermometers . . . . . . . . . . . . 214.1 Radiance thermometers. . . . . . . . . . . 224.2 Ratio radiation thermometers.

12、. . . . . . . 524.3 Multichannel radiation thermometer . . . . 644.4 Optical imaging conditions . . . . . . . . . 644.5 Construction and specifications of radiation thermometers . . . . . . . . . . . 684.6 Testing of radiation thermometers . . . . . 794.7 Calibration of radiation thermometers . . .

13、805 Line scanners and line cameras . . . . . . . 855.1 Line scanners . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2 Line cameras . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Vere

14、in Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 2 VDI/VDE 3511 Blatt 4 / Part 4Seite6 Thermografiegerte . . . . . . . . . . . . . 886.1 Bauarten von Thermografiegerten. . . . 896.2 Spezifikation von Thermografiegerten . 926.3 Ausstattungsmerkmale . . . . . . . . . . 947 Optische Komponenten von Strahlu

15、ngstemperatur-Messgerten . . . . 957.1 Objektive und Filter . . . . . . . . . . . 957.2 Strahlungsempfnger . . . . . . . . . . . 978 Emissionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . 1028.1 Emissionsgrad verschiedener Materialien 1028.2 Methoden zur Emissionsgradbestimmung 106Schrifttum . . . . . . . .

16、. . . . . . . . . . . . 116VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstnd

17、ig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei geda

18、nkt.EinleitungIn der Richtlinienreihe VDI/VDE 3511 werden Hin-weise fr die zweckmige Durchfhrung von Tem-peraturmessungen gegeben.Sie ist in folgende Bltter gegliedert:Blatt 1 Grundlagen und bersicht ber beson-dere Temperatur-MessverfahrenBlatt 2 BerhrungsthermometerBlatt 3 Messverfahren und Messwer

19、tverarbei-tung fr BerhrungsthermometerBlatt 4 StrahlungsthermometrieBlatt 4.2 Erhaltung der Spezifikationen von Strah-lungsthermometernPage6 Thermographic devices . . . . . . . . . . . 886.1 Types of thermographic devices . . . . . 896.2 Specification of thermographic devices . 926.3 Features. . . .

20、 . . . . . . . . . . . . . . 947 Optical components of radiation temperature measuring devices . 957.1 Object lenses and filters . . . . . . . . . 957.2 Radiation detectors . . . . . . . . . . . . 978 Emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028.1 The emissivity of various materials . . . 102

21、8.2 Methods for determining the emissivity . 106Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of

22、 reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices (www.vdi-rich

23、tlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionThe guideline series VDI/VDE 3511 provides infor-mation for the appropriate performing of temperature measurements.It is divided into the following parts:Part 1 Principles and overview of specia

24、l tem-perature measuring systemsPart 2 Contact thermometersPart 3 Measuring systems and measured quan-tity processing for contact thermometersPart 4 Radiation thermometryPart 4.2 Maintenance of the specifications for ra-diation thermometersB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand

25、 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI/VDE 3511 Blatt 4 / Part 4 3 Blatt 4.3 Standard-Test-Methoden fr Strahlungs-thermometerBlatt 4.4 Kalibrierung von Strahlungsthermome-ternBlatt 4.5 Strahlungsthermometrie in der Praxis (in Vorbereitung)Blatt 5 Einbau von

26、ThermometernEine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3511.Die vorliegende Richtlinie wurde gegenber der Aus-gabe vom Januar 1995 vollstndig berarbeitet und wesentlich erweitert.Die Richtlinien VDI/VDE 3511 Blatt 4.2 bis Blatt 4.5 beha

27、ndeln anwenderorientiert spezielle As-pekte fr die Auswahl des richtigen Gerts sowie seine Handhabung und Kalibrierung.1 AnwendungsbereichIn dieser Richtlinie werden Hinweise fr die zweck-mige Durchfhrung von Temperaturmessungen mit Strahlungstemperatur-Messgerten gegeben. Mit diesen Gerten kann die

28、 Temperatur eines Objekts berhrungslos gemessen werden. Dabei werden die Gesetze der Optik und der Strahlungsphysik genutzt.Grundkenntnisse der Temperaturmessung mit Berh-rungsthermometern werden vorausgesetzt. Die theo-retischen Grundlagen der Strahlungsthermometrie sowie gerte- und schaltungstechn

29、ische Lsungen werden nur insoweit behandelt, wie sie zum Ver-stndnis der Richtlinie erforderlich sind.In allen Abschnitten wird dabei auf weiterfhrende Literatur verwiesen. Die entsprechenden Fachbcher und Sammelwerke, Zeitschriftenartikel, Tagungsbei-trge, nationale und internationale Normen bzw. R

30、ichtlinien, Tabellenwerke zu Emissionsgrad und Firmenschriften sind im Schrifttum zusammenge-stellt.Zahlreiche Beispiele aus der technischen Praxis sol-len Hilfen fr den richtigen bzw. optimalen Einsatz der Strahlungstemperatur-Messgerte geben.In Abschnitt 2 werden zunchst Kriterien angegeben, die e

31、ine Vorentscheidung darber ermglichen sol-len, ob die Anwendung eines strahlungsthermometri-schen Messverfahrens zweckmig bzw. mglich ist.In Abschnitt 3 werden die Grundlagen der Strah-lungstemperaturmessung beschrieben. Sie behandeln den Zusammenhang von Temperatur, Emissionsgrad und Strahldichte.D

32、eren Verstndnis ist zusammen mit den in Abschnitt 4 bis Abschnitt 6 beschriebenen ver-Part 4.3 Standard test methods for radiation ther-mometersPart 4.4 Calibration of radiation thermometers Part 4.5 Radiation thermometry in practice (in preparation)Part 5 Installation of thermometersA catalogue of

33、all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3511.The present guideline has been completely revised and considerably expanded since the January 1995 edition.Guidelines VDI/VDE 3511 Part 4.2 to Part 4.5 deal with user-oriented special aspects for sele

34、cting the correct instrument, its handling and calibration. 1 ScopeThis guideline provides information for the appropri-ate performing of temperature measurements using radiation temperature measuring devices. These in-struments permit the temperature of an object to be measured without contact, mak

35、ing use of the laws of optics and radiation physics.Basic knowledge of temperature measurement using contact thermometers is assumed. The theoretical principles of radiation thermometry and technical so-lutions relating to instrumentation and circuits, are dealt with only to the extent necessary for

36、 under-standing the guideline.All sections contain references to further literature. The relevant textbooks and compilations, journal ar-ticles, conference papers, national and international standards or guidelines, emissivity tables and corpo-rate publications are listed together in the Bibliogra-p

37、hy. Numerous examples from technical practice are quoted, in order to assist in the correct or optimal use of radiation temperature measuring devices.Section 2 discusses criteria that allow a preliminary decision to be made as to whether the use of a radia-tion thermometric measuring systems is prac

38、tical or possible.Section 3 describes the fundamentals of radiation temperature measurement, including the connection between temperature, emissivity and radiance. Their understanding, together with the various types of radiation thermometers, line scanners and thermo-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB3

39、0F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 4 VDI/VDE 3511 Blatt 4 / Part 4schiedenen Arten von Strahlungsthermometern, Lini-enscannern und Thermografiegerten eine wesentli-che Voraussetzung fr die Auswahl eines optimalen Strahlungste

40、mperatur-Messgerts fr die speziellen Bedingungen einer Messaufgabe.Mgliche Fehlerquellen der berhrungslosen strah-lungsthermometrischen Temperaturmessung, insbe-sondere der Einfluss des Emissionsgrads des Mess-objekts und der Strahlungstemperatur der Umge-bung, werden ausfhrlich dargestellt.2 Einfhr

41、ung2.1 TemperaturstrahlungJeder Krper mit einer Temperatur oberhalb des ab-soluten Nullpunkts sendet eine elektromagnetische Strahlung aus, die ihre Entstehung der Temperatur des Krpers verdankt und deshalb Temperaturstrah-lung genannt wird.Bei nichttransparenten Stoffen geht die Strahlung in erster

42、 Linie von deren Oberflche aus. Der Aus-trittstiefenbereich bei Metallen betrgt z. B. nur ei-nige Atomdurchmesser. Semitransparente Stoffe sind dagegen Volumen-strahler, bei denen der erfassbare Austrittstiefenbe-reich der Temperaturstrahlung von dem bei der Mes-sung benutzten Spektralbereich abhngi

43、g ist. Er kann einige Millimeter bis einige Meter betragen.Bei Temperaturen ber 100 C kann man die Tempe-raturstrahlung mit dem Wrmesinn der Haut nach-weisen. Bei einer Temperaturerhhung ab etwa 500 C wird ein schwaches grauweies Leuchten sichtbar. Ab 600 C geht der Krper in Rotglut und oberhalb von

44、 1000 C in Gelb- bzw. Weiglut ber.Der mit der Temperaturstrahlung prinzipiell verbun-dene Energietransport ermglicht es letztlich, die Temperatur des Strahlers berhrungslos zu messen.Einheitlicher Parameter fr die unterschiedliche Er-scheinungsweise der Strahlung ist die Wellenlnge .Die Wellenlngenv

45、erteilung der Temperaturstrahlung hngt in erster Linie von der Temperatur des Strahlers (Messobjekts) ab. Ihr funktioneller Zusammenhang wird durch die Gesetze der Temperaturstrahlung be-schrieben (siehe Abschnitt 3).Bei technischen Anwendungen interessiert man sich vorwiegend fr Temperaturen zwisch

46、en 100 C und 3000 C. Hierbei wird die Strahlung im Wesentlichen im optischen und infraroten Spektralbereich ausge-sendet und zwar von 0,3 m bis 30 m. In Bild 1 ist dieser Bereich mit Temperaturstrahlung“ gekenn-zeichnet.graphic devices described in Section 4 to Section 6, is an essential prerequisit

47、e for the selection of an opti-mal radiation temperature measuring device for the special conditions of a particular measurement task. Possible error sources in temperature measurements that rely on non-contact radiation thermometry, in particular the effect of the measured objects emissiv-ity and o

48、f the ambient radiation temperature, are de-scribed in detail.2 Basics2.1 Thermal radiationEvery body with a temperature above absolute zero emits electromagnetic radiation. This radiation is due to the bodys temperature, which is why it is referred to as thermal radiation. In non-transparent materi

49、als, the radiation is emit-ted mainly from the surface. For example in metals, the depth of the emitting region is only a few atomic diameters. Semitransparent materials, in contrast, are volume radiators. Here, the depth of the detectable region emitting the thermal radiation depends on the spectral range of interest. It can be a few millimetres up to several metres deep.At temperatures above 100 C, thermal radiation can be detected through