VDI VDE 3511 Blatt 4 4-2005 Temperature measurement in industry - Radiation thermometry - Calibration of radiation thermometers.pdf

1、ICS 17.200.20 VDI/VDE-RICHTLINIEN Juli 2005July 2005VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Technische Temperaturmessung Strahlungsthermometrie Kalibrierung von Strahlungsthermometern Temperature measurement in industry Radiation thermometry Calibration

2、of radiation thermometers VDI/VDE 3511 Blatt 4.4 / Part 4.4 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. V

3、DI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachausschuss Angewandte Strahlungsthermometrie VDI/VDE-Handbuch Mess- und Automatisierungstechnik, Band 1: Verfahrenstechnisches Messen VDI-Handbuch Energietechnik Vervielfltigungauchfr innerbetrieblicheZweckenicht gestattet/Reproduction e

4、venfor internaluse notpermittedZubeziehen durch/ Available fromBeuth Verlag GmbH, 10772 BerlinAlleRechte vorbehalten / Allrightsreserved VereinDeutscherIngenieure,Dsseldorf2005 Frhere Ausgabe:07.04, Entwurf Formeredition: 07/04, Draft Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung.2 1 Anwendungsbereich und

5、 Gegenstand3 2 Verschiedenen Kalibrierverfahren 3 2.1 Kalibrierung mit Berhrungsthermometern.3 2.2 Kalibrierung mit Transfernormal-Strahlungs-thermometern 5 2.3 Kalibrierung mit Wolframbandlampen 6 3 Anforderungen an die Kalibriereinrichtung und deren technische Ausfhrung.7 3.1 Einrichtung fr Kalibr

6、ierung mit Berhrungsthermometern .14 3.2 Einrichtung fr Kalibrierung mit Transfernormal-Strahlungsthermometern 15 3.3 Einrichtung fr Kalibrierung mit Wolframbandlampen 19 4 Kalibrierverfahren.21 4.1 Kalibrierverfahren mit Berhrungsthermometern (Kalibrierverfahren I) .21 4.2 Kalibierverfahren mit Tra

7、nsfernormal-Strahlungsthermometern 23 4.3 Kalibrierverfahren mit Wolframbandlampen (Kalibrierverfahren III).28 5 Unsicherheitsbetrachtung .31 5.1 Formelzeichen31 5.2 Temperatur des Messfeldes.33 5.3 Messgre 33 5.4 Bezugsgre.33 5.5 Emissionsgrad des Hohlraums33 5.6 Transmission des Fensters 33 5.7 We

8、llenlnge des Prflings 34 5.8 Messunsicherheit des Prflings 34 5.9 Temperaturverteilung im Messfeld 34 5.10 Umfeldeinfluss.35 5.11 Temperaturkoeffizienten des Prflings 35 5.12 Zeitliche Temperaturnderungen des Hohlraumstrahlers.35 5.13 Sensitivittskoeffizient35 5.14 Messunsicherheitsbudget (Beispiel)

9、.36 Schrifttum 38 Preliminary note 2 1 Object and scope 3 2 Different calibration schemes 3 2.1 Calibration based on contact thermometers .3 2.2 Calibration based on transfer standard radiation thermometers.5 2.3 Calibration based on tungsten ribbon lamps 6 3 Requirements and technical realisation o

10、f calibration set-up 7 3.1 Set-up for calibration based on contact thermometers 14 3.2 Set-up for calibration based on transfer standard radiation thermometers 15 3.3 Set-up for calibration based on tungsten ribbon lamps. 19 4 Calibration procedure. 21 4.1 Calibration procedure based on contact ther

11、mometers (Calibration Scheme I). 21 4.2 Calibration procedure based on transfer standard radiation thermometers 23 4.3 Calibration procedure based on Tungsten ribbon lamps (Calibration Scheme III). 28 5 Uncertainty budget 31 5.1 Symbols. 31 5.2 Temperature of the target . 33 5.3 Measurand . 33 5.4 R

12、eference quantity 33 5.5 Cavity emissivity 33 5.6 Transmission of the window 33 5.7 Wavelength of the test object. 34 5.8 Measurement uncertainty of the test object 34 5.9 Temperature distribution in the target . 34 5.10 Size-of-source effect. 35 5.11 Temperature coefficients of the test object . 35

13、 5.12 Temperature variations of the cavity radiator with time. 35 5.13 Sensitivity coefficient. 35 5.14 Uncertainty budget (example) 36 Bibliography . 38 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 2 VDI 3511 Blatt 4.4 / Part 4.4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Inge

14、nieure, Dsseldorf 2005 Vorbemerkung Preliminary note In der Richtlinie VDI/VDE 3511 Technische Temperaturmessungen“ werden grundstzliche Hinweise fr die richtige Durchfhrung von Tem-peraturmessungen gegeben. In den einzelnen Blt-tern der Richtlinie werden folgende Themen be-handelt: VDI/VDE 3511 “Te

15、chnical temperature measure-ments” provides basic information for the appro-priate performance of temperature measurements. The individual parts of the guideline deal with the following topics: Blatt 1: Grundlagen und bersicht ber besondere Temperaturmessverfahren Part l: Principles and special meth

16、ods of tempera-ture measurement Blatt 2: Berhrungsthermometer Part 2: Contact thermometers Blatt 3: Messverfahren und Messwertverarbeitung fr elektrische Berhrungsthermometer Part 3: Measuring systems and measured quantity processing for electrical contact thermome-ters Blatt 4: Strahlungsthermometr

17、ie Part 4: Radiation thermometry Blatt 5: Einbau von Thermometern Part 5: Installation of thermometers Die bereits erschienenen Bltter der Richtlinieentsprechen dem zum Zeitpunkt der Verffentli-chung geltenden technischen Stand. Um Weiter-entwicklungen und neue wissenschaftliche Er-kenntnisse in die

18、 Richtlinien einflieen zu lassen,werden Ergnzungsbltter verffentlicht. These parts of the guideline are up to the state of the art as at the time of publication. Supplementary parts are published to enable further developments and new scientific knowledge to be included in the guidelines. Das vorlie

19、gende Blatt 4.4 ist eine Ergnzung zumBlatt 4 und befasst sich mit der Kalibrierung vonStrahlungsthermometern. This Part 4.4 is a supplement to Part 4 and deals with the calibration of radiation thermometers. Die Ergnzung wurde vom Fachausschuss An-gewandte Strahlungsthermometrie“ der VDI/VDE-Gesells

20、chaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) erarbeitet, dem sowohl Fachleute aus An-wender- und Herstellerkreisen als auch Vertreter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt undvon Hochschulen angehren. This supplement was prepared by Technical Com-mittee “Applied Radiation Thermometry” of the V

21、DI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungs-technik (GMA), which included experts from the fields of application and manufacturing and also representatives of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt and universities. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Recht

22、e vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2005 VDI 3511 Blatt 4.4 / Part 4.4 3 1 Anwendungsbereich und Gegenstand 1 Object and scope Diese Richtlinie gilt auf dem Gebiet der Messtech-nik und soll als Anleitung fr die Kalibrierung undJustierung von Strahlungsthermometern dienen. This guide

23、line applies in the field of metrology, for providing guidance for the calibration and adjust-ment of radiation thermometers. Die Strahlungsthermometrie ist ein Messverfahren,das in vielen Bereichen der Industrie Anwendungfindet. Zwar weisen die meisten Gerte eine hohe Wiederholbarkeit auf, aber spe

24、ziell im unterenTemperaturbereich (50 C bis 300 C) ist eine rckfhrbare Messgenauigkeit bei industriell ge-fertigten Gerten schwer erreichbar. Radiation thermometry is a measuring method that finds applications in many industrial fields. Most instruments show a high repeatability, but espe-cially in

25、the lower temperature range (50 C to 300 C), a traceable measuring accuracy for indus-trial instruments is difficult to achieve. In jngster Zeit sind von europischen nationalenMetrologieinstituten und Industrieunternehmengemeinsam Schwarze Strahler und Strahlungs-thermometer entwickelt worden, die b

26、erhrungs-freie Kalibrierverfahren fr industrielle Strahlungs-thermometer ermglichen. Im Gegensatz zu her-kmmlichen Verfahren, bei denen Temperatur undEmissionsgrad der Referenzstrahlungsquellen ge-messen werden, sind bei diesen berhrungsfreienMethoden fr die Kalibrierung eines industriellenStrahlung

27、sthermometers keine Berhrungstempe-raturmessungen und in einigen Fllen auch keine Messungen des Emissionsgrades erforderlich. Based on recent co-operative developments be-tween European national metrology institutes and industrial companies black-bodies and radiation thermometers were developed that

28、 allow non-contact calibration schemes for industrial radiation thermometers. Different to the traditional schemes, where the temperature and the emissivity of the reference radiation sources are measured, in such non-contact schemes no contact temperature meas-urement and in some special cases no e

29、missivity measurement are necessary to calibrate an indus-trial radiation thermometer. 2 Die verschiedenen Kalibrierverfahren 2 The different calibration schemes Fr gewhnlich wird ein Strahlungsthermometer(RT) mit Hilfe von Referenzstrahlungsquellen,z. B. Schwarzen oder Grauen Strahlern, kalibriert.

30、Diese Referenzstrahler erzeugen Strahlung be-stimmter Strahlungstemperaturen, die zur Berech-nung der Kalibrierkonstanten des Strahlungsther-mometers verwendet werden. A radiation thermometer (RT) is usually calibrated with the help of reference radiation sources, e. g.black-bodies or grey-bodies. T

31、he reference radia-tion sources are producing certain radiation tem-peratures, which are used to calculate the calibra-tion constants of the radiation thermometer. Um eine geringe Kalibrierunsicherheit zu erzielen,muss die von dem Referenzstrahler erzeugte Strah-lungstemperatur (bzw. spektrale Strah

32、ldichte) ge-nau bekannt sein. Eine Mglichkeit, die Strah-lungstemperatur eines Referenzstrahlers zubestimmen, besteht in der Messung seiner Tempe-ratur mit einem Berhrungsthermometer und der Ermittelung seines Emissionsgrades. Eine zweiteMglichkeit ist die direkte Messung der Strah-lungstemperatur d

33、es Referenzstrahlers mit einemTransfernormal-Strahlungsthermometer (TSRT). In der vorliegenden Richtlinie werden einige grundlegende Kalibrierverfahren fr Strahlungs-thermometer dargestellt. Kombinationen sowie nderungen der im Folgenden vorgestellten Ver-fahren sind mglich. To achieve a small calib

34、ration uncertainty, it is necessary to know the radiation temperature (resp. spectral radiance) that the reference radiation source generates precisely. A first possibility of determining the radiation temperature of a refer-ence radiation source is to measure its temperature and emissivity. A secon

35、d possibility is to measure the radiation temperature of the reference radiation source directly with a transfer standard radiation thermometer (TSRT). Some basic calibration pro-cedures of radiation thermometers are discussed in this guideline. Combinations and modifications of the following proced

36、ures are possible. 2.1 Kalibrierung mit Berhrungsthermometern 2.1 Calibration based on contact thermo-meters Die erste der beiden genannten Mglichkeitenfhrt zu Kalibrierverfahren I (Bild 1). The first possibility leads to the Calibration Scheme I (Figure 1). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7E

37、F86D9NormCD - Stand 2012-08 4 VDI 3511 Blatt 4.4 / Part 4.4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2005 Kalibrier-LaboratoriumCalibration laboratoryITS-90T-MessungT-measurementTprobeT = Tprobe TsurfTReferenz-strahlungsquelleReferenceradiation sourceEmissionsgrad-KorrekturEmis

38、sivity-correctionStrahlungs-thermometerRadiationthermometerNationales MetrologieinstitutNational metrology instituteTrad= Tprobe T TBerhrungs-thermometerContactthermometerBild 1. Kalibrierverfahren I Fig. 1. Calibration Scheme I Auf der Grundlage der Fixpunkte der Internationa-len Temperaturskala vo

39、n 1990 (ITS-90) kalibriertein Nationales Metrologieinstitut, z. B. die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Berhrungsther-mometer, die dann von akkreditierten Laborato-rien, in Deutschland z. B. den DKD-Laboratorien,zur Kalibrierung von Berhrungsthermometern(z. B. Pt100) fr die industrielle

40、Anwendung be-nutzt werden. Mit diesen lsst sich die TemperaturTprobemessen und sich daraus die Temperatur Tradeiner Referenzstrahlungsquelle ermitteln. Dazumssen die Temperaturdifferenz T zwischen der Temperatur des Berhrungsthermometers Tprobeund der Oberflchentemperatur Tsurfder Referenz-strahlung

41、squelle sowie die durch den Emissions-grad der Referenzstrahlungsquelle im Spektralbe-reich des zu kalibrierenden Strahlungsthermome-ters bedingte Temperaturkorrektur Tbekanntsein. Dann kann die Strahlungstemperatur Tradder Referenzstrahlungsquelle aus der Temperatur Tpro-beerrechnet und das Strahlu

42、ngsthermometer kalib-riert werden. Based on the fixed points of the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) a national metrology institute, e. g. the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germany cali-brates contact thermometers that accredited labora-tories e. g. DKD-laboratories

43、in Germany use to calibrate contact thermometers for industrial appli-cations (e. g. Pt100). Such contact thermometers can be used to measure the temperature Tprobeand to determine out of it the temperature Tradof a reference radiation source. Therefore the tempera-ture difference T between the temp

44、erature of the contact thermometer Tprobeand the surface tem-perature Tsurfof the reference radiation source and the temperature correction Tcaused by the emis-sivity of the reference radiation source in the spectral range of the radiation thermometer have to be known. Then it is possible to calcula

45、te from the temperature Tprobethe radiation temperature Tradof the reference radiation source and to calibrate the radiation thermometer. Insbesondere fr Temperaturen unterhalb 300 C wird meist Kalibrierverfahren I angewandt. Hier-bei werden hufig kalibrierte Berhrungsthermo-meter mit geringen Unsic

46、herheiten verwendet. Allerdings ergeben sich gegenber Kalibrierver-fahren II und III zustzliche Unsicherheiten durchdie Unsicherheiten der TemperaturkorrekturenT und T. Durch den Einsatz von Wrmerohr-,Flssigkeits- oder Bad-Strahlern lsst sich die Un-sicherheit der Korrektur T jedoch deutlich verrin-

47、gern. Especially for temperatures below 300 C, Calibra-tion Scheme I is most common. Here often cali-brated contact thermometers with low uncertainties are used. However, compared to Calibration Scheme II and III additional uncertainties are gen-erated by the uncertainties of the temperature cor-rec

48、tions T and T . Heat-pipes, liquid or bath black-body radiation sources are a good solution to minimise the uncertainty of the correction T. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2005 VDI 3511 Blatt 4.4 / Pa

49、rt 4.4 5 2.2 Kalibrierung mit Transfernormal-Strah-lungsthermometern 2.2 Calibration based on transfer standard radiation thermometers Nationale Metrologieinstitute wie die PTB knnendie Strahlungstemperatur oder Strahldichte vonhochgenauen Schwarzen Strahlern mit sehr kleinenUnsicherheiten rckfhrbar auf die ITS-90bestimmen. Diese Schwarzen Stra