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Einrichtung zur direkten Messung der Temperatur strahlender Körper
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tels einer über einen Verstärker mit einem Anzeigeinstrument verbundenen, im wesentlichen trägheitslosen fotoelektronischen Zelle, die in einem Messkopf untergebracht ist, der ein auf das Messobjekt hin zu richtendes Visierrohr aufweist, wobei 1m Strahlengang zwischen der im Messkopf liegenden Öffnung des Visierrohres und der fotoelektronischen Zelle ein Strahlenunterbrecher angeordnet ist.
Zur Messung der Temperatur strahlender Körper ist bereits eine Vielzahl von Geräten bekanntgeworden. Es ist u. a. ein Gerät zur Messung niedriger Temperaturstrahlung mit Bolometer oder Thermoelement bekanntgeworden, das ein optisches Linsensystem und ein thermostatisch geregeltes Gehäuse aufweist, wobei eine im Gehäuse befindliche Metalltrommel, die ein der Strahlentrodulation dienendes Flügelrad enthält, auf konstanter Temperatur gehalten ist. Es ist ferner auch bekannt, die Strahlung, die von einer Fotozelle oder von einem sonstigen Empfangsorgan aufgenommen wird, zu zerhackten bzw. zu modulieren, damit man einen Wechselstromverstärker benutzen kann, der Vorteile vor einem Gleichstromverstärker besitzt, insbesondere für hohe Verstärkungsgrade ausgebildet werden kann.
Durch die rhythmsche Unterbrechung des die Fotozelle oder ein ähnliches Empfangsorgan treffenden Strahles ergib : sich eine einfache Möglichkeit, die Störanfälligkeit der Messeinrichtung auf ein Minimum zu reduzieren. Je höher näm1ichdie Unterbrecherfrequenz gewählt wird, desto unempfindlicher wird dieAnlagegegenWechselstromstörungen und andere Einflüsse.
Da bisher jene bekannten Einrichtungen, die eine direkte Messung gestatteten, zu ungenau waren, wobei sie auf eine ständige Kontrolle und Eichung des gesamten Gerätes verzichteten, wurden zur Mes-
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bzw. vonVergleich von Messgrössen durchgeführt wurde. Es wurde eine Einrichtung bekaMt, bei der in den getrennten Strahlungswegen und für sämtliche Strahlungen ein gemeinsames Empfangsorgan vorgesehen ist, das die Strahlungsgrossen in elektrische Grössen, vorzugsweise Spannungen umwandelt.
Hiebei wurden die zu vergleichenden Strahlungen mit verschiedenen Frequenzen oder mit gleicher Frequenz und verschiedenen Phasen zerhackt bzw. moduliert und die so gewonnenen Messspannungen über einem Verstärker einer Sieb-oder Kommutatoranordnung oder einer nut einer oder mehrerenHilfsfrequenzen beschickten Trenn- oder Auswahlschaltung zugeführt, welche die den verschiedenen Strahlungen zugeordneten Spannungen entsprechend ihren verschiedenen Frequenzen bzw. Phasen trennt und an eine Mess-oder Steueranordnung weitergibt.
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485dung eines Synchronmotor mit Lochscheibe bekannt.
Ferner sind bereits in der USA-Patentschrift Nr. 2, 366, 285 und Nr. 1, 475, 365 und der deutschen Patentschrift Nr. 844218Pyrometer beschrieben worden, welche auf der der Strahlung ausgesetzten Seite Kühlkammern zwecks Vermeidung einer zu starken
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bei Strahlungspyrometern je nach Bedarf aus dem gesamten Wellenlängenbereich der Strahlung bestimmte Wellenbereiche auszuwählen und zu messen. Zum Anvisieren des Messpunktes ist aus der deutschen Pa-
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bekannt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur direkten Messung von tem- peraturenstrahlender Körper zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten direkten Messeinrichtungen
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vermieden weiden.
Die eifindungsgemässe Messeinrichtung weist hiezu das Kennzeichen auf dass sie in Kombination folgende Bauelemente aufweist : a) Als Strahlenunterbrecher in an sich bekannter Weise eine von einem im Inneren desMesskopfes angeordneten Synchronmotor angetriebene Unterbrecherscheibe (z. B.
Lochscheibe, Schlitzscheibe, Zahnkranz od. dgl.), welche knapp vor der : fotoelektronischen Zelle angeordnet ist. b) Ah fotoelektrische Zelle in an sich bekannter Weise eine infrarotempfindliche Fotodiode, c) eine an sich bekannte Kühlkammer, welche an der dem strahlenden Körper zuzuwendenden Seite des Messkopfes nahe dem Synchronmotor angeordnet ist. d) Einen senkrecht zu der optischen Achse verschiebbaren Schieber, welcher in inniger wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer steht und auf welchem die fotoelektrische Zelle angeordnet und eine Durchblicköffnung vorgesehen ist, wobei die fotoelektrische Zelle oder die Durchblicköffnung wahlweise in die durch das Visierrohr bestimmte optische Achse bringbar ist.
Durch die erfindungsgemässe Kombination werden praktisch alle Nachteile der bisher bekannten direkten Messeinrichtung vermieden.
Dadurch, dass das Visierrohr beim Hindurchblicken genau auf die Stelle des strahlenden Körpers gerichtet werden kann, deren Temperatur gemessen werden soll und hiebei die Fotodiode sich bei der Mes-
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brachten Einzelteile, vor allem der Fotodiode. Dadurch, dass der Synchronmotor in unmittelbarer Nähe der Kühlkammer untergebracht ist, wird jede schädliche Wärmeeinwirkung desselben auf die Fotodiode ver- hindert ; da zofolge der gut wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Schieber der Fotodiode und der Kühlkammer auch die Fotodiode einwandfrei gekühlt wird, ist nicht nur eine hohe Messgenauigkeit, son-
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sicherübrigt.
Die einzelnen Bauelemente sind bei der erfindungsgemassen Messvorrichtung zwecks Vermeidung von Messfehlern aus folgenden Gründen wichtig. Durch die Anordnung eines Strahlenunterbrechers wird das Messergebnis inForm einer Wechselspannung erhalten und kann deshalb viel genauer verstärkt und zurAnzeige gebracht werden, als wenn es als Gleichspannung vorhanden wäre. Die Anordnung einer infrarotempfindlichen Fotodiode dient dem Zwecke, eine in der Fotodiode selbst vorhandene Fehlerquelle auszu-
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werten Fehler gemessen werden kann.
Die Anordnung der Kühlkammer dient ausser zur Abschirmung des Pyrometers gegenüber der Strahlungsquelle vo. allem dazu, die Fotodiode auf einer konstanten Temperatur zu halten, so dass die durch den Temperaturgang der Fotodiode verursachten Fehler auf ein Minimum herabgesetzt werden. Dem gleichen Zwecke dient auch die Anordnung des Synchronmotor nahe der Kühl-
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leichte Justierbarkeit in bezug auf ein Übereinstimmen der optischen Achse der Fotodiode mit der Achse des Pyrometers gegeben ist.
Die Bedienung des Messkopfes bzw. das Anvisieren wird erheblich erleichtert, wenn nach einer Weiterbildung derErfindung amTräger des Schiebers in Fortsetzung desVisierrohres an der dem zu messenden Objekt abgewendeten Seite ein Schaurohr angeordnet ist, auf dem ein von Hand betätigbarer Hebel schwenkbar gelagert ist, der mit dem Schieber gekuppelt ist.
Um zu gewährleisten, dass während der Messung die Fotodiode einwandfrei in dem durch das Visierrohr tretenden Strahlengang liegt, ist am Schieber bzw, an dem mit diesem Schieber gekuppelten Hebel einerseits und am Träger des Schiebers anderseits eine Feder befestigt, deren Kraft den Schieber in jene Lage bringt, in der die Fotodiode in der optischen Achse des Visierrohres liegt.
Zweckmässigerweise ist der Messkopf mittels einer Abdeckhaube abgedeckt, die mit der Kühlkammer in wärmeleitender Verbindung steht und durch die das Schaurohr mit einem dieses umgebenden rohrför- migen Ansatz des Hebels hindurchragt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anHand der Zeichnung, in welcher ein Ausführungbeispiel dargestellt ist.
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die optische Achse des Visierrohres gebracht ist, während Flg. 5 die hiezu gehörige Stellung des Bedie- nungshebels für den Schieber zeigt. Fig. 6 zeigt jene Stellung des Schiebers, bei der dessen Durchblick- oeffnung in die optische Achse des Visierrohres gebracht ist.
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de 2, ein Synchronmotor 3 mit einer Lochscheibe 4 und einem Widerstand 5 untergebracht sind.
An jener Seite des Messkopfes, die gegen das Objekt zu richten ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, befindet sich ein Visierrohr 6, das durch eine Kühlkammer 7 hindurchgeführt ist, die die Inneneinrichtung
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ein Kühlmedium einBinlassstutzenS und ein Auslassstutzen 9 vorgesehen sind. Auf die Vorderseite des Visierrohres 6 ist eine auswechselbare Blende 10 aufgesetzt, wobei je nach Wahl der Blendenöffnung verschiedene Messbereiche wählbar sind. Die Fotodiode 2 und der Widerstand 5 führen zu einem Verstar- ker 11, an dessen Ausgang ein Messinstrument 12 angeschlossen ist.
Da die Stärke der zu messenden Infra rotstrahlung mit steigender Temperatur nach einer Exponentialfunktion zunimmt, ist zur Erzielung einer annähernd linearen Skalenteilung parallel zum Ausgang des Verstärkers 11 ein spannuigsabhängiger (VDR) Widerstand 13 gelegt.
Die vom strahlenden Objekt herrührende Strahlung tritt durch die Blende 10 in das Visierrohr 6 ein und trifft die Fotodiode 2, wobei sie von der vom Synchronmotor 3 angetriebenen Lochscheibe 4 rhythmisch zerhackt wird, wodurch sich der Widerstand der Fotodiode im Rhythmus der Strahlenunterbrechung ändert. Diese periodische Widerstandsänderung verursacht am Arbeitswiderstand 5 der Fotodiode das Auftreten einer Wechselspannung, die der Widerstandsänderung der Fotodiode proportional ist. Da die am Arbeitswiderstand 5 auf diese Weise entstehende Wechselspannung ein direktes Mass für die Infrarotstrahlung des Messobjektes und damit auch ein Mass für dessen Temperatur ist, kann letztere nach Verstärkung durch den Verstärker 11 unmittelbar am Messinstrument 12 abgelesen werden.
Bei dem in den Fig. 2-6 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Messkopfes ist das Visierrohr 6 zentrisch durch die Kühlkammer 7 geführt, wobei als Synchronmotor 3 eine Type vorgesehen ist, die zwischen dem Anker und der Feldwicklung hinreichend Raum aufweist, um die durch das Visierrohr 6 eintretende Strahlung hindurchtreten zu lassen. Dadurch ergibt sich ein platzsparender Aufbau. Die Fotodiode 2 ist in einem Röhrchen 14 gehaltert, das auf einem Schieber 15 befestigt ist. Dieser
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15 ist auf einem Träger 18 verschiebbar angeordnet und steht mit diesem in gut wärmeleitender Verbindung. Der Träger 18 selbst steht über einem Messingkeil 19 ur. d einsm starken Messingstreifen 20 in gut wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer 7, wie dies Fig. 3 zeigt.
An dem Träger 18 sind zwei justierbare Anschläge 21 und 22 vorgesehen, wobei der Anschlag 22 so einjustiert ist, dass die Fotodiode 2 genau auf die optische Visierlinie des Visierrohres 6 einstellbar ist, wobei dieFotodiode zurBinstelIung der Richtung maximaler Empfindlichkeit in ihrer Halterung 14 schwenkbar und fixierbar ist. Der Anschlag 21 Ist derart einjustiert, dass bei Verschieben des Schiebers 15 quer zur Visierlinie dieser so weit verschoben werden kann, bis die Mittellinie der Durchblicköffnung 16 genau mit der Mittellinie der Fotodiode in der erstgenannten Stellung übereinstimmt. An dem Träger 18 ist ein Schaurohr 23 angesetzt.
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einen Hebel 25 aufweist, dessen Ende einen Schlitz 26 besitzt, in den ein Zapfen 27 eines Armes 23 (s. auch Fig. 4 und 6) des Schiebers 15 eingreift.
An dem Schieber 15 einerseits und dem Träger 18 anderseits ist eine Feder 29 befestigt, die den Schieber stets in jene Lage zieht, in der sich die Fotodiode im Strahlengang befindet. Der Messkopf ist mit einer Abdeckhaube 30 lichtdicht verschlossen, worauf auf den Ansatz 24 ein Handgriff 31 geschoben ist. Für die Stromzu- bzw. Abfuhrleitullgen sind in einem Träger 32 Buchsen 33, 34 eingesetzt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel zwecks Trennung der von der Fotodiode kommenden Leitungen und der zum Synchronmotor führenden Leitungen getrennte Buchsen vorgesehen sind. Der in Fig. 1 dargestellte Widerstand 5 ist in dem Messkopf nach den Fig. 2-6 nicht dargestellt, da er auch im Verstärker selbst eingebaut sein kann. Zur Befestigung bzw. Montage des Messkopfes ist ein Fuss 35 vorgesehen.
Es ist ersichtlich, dass bei dieser Ausführung das Innere des Messkopfes vollständig wärmeisoliert ist, wobei auch schädliche Wärmestrahlungen von der Fotodiode 2 ferngehalten sind, zu welchem Zweck
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die Fotodiode 2 über den Träger 18, den Messingkeil 19 und den Messingstreifen 20 in gut wärmeleitender Verbindung mit der Kühlkammer 7 steht.
Mittels der Feder 29 wird erreicht, dass der Schieber 15 stets in die Lage gezogen wird, die in Fig. 4 dargestellt ist, in der sich die Fotodiode 2 genau in der optischen Achse befindet. Wird der in Fig. 5
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sichtbare Hebel 31 von Hand aus im Uhrzeigersinn verschwenia :, so wird der Schieber IS gegen die Kraft der Feder 29 nach unten in jene Lage geschoben, die in Fig. 6 dargestellt ist, in der sich der Mittelpunkt der Durchblicköffnung 16 genan an der gleichen Stelle befindet wie die Fotodiode in der Stellung nach Fig. 4. Bei Loslassen des Hebeln 31 kehrt der Schieber infolge der Kraft der Feder 29 wieder in die Lage der Fig. 4 zurück und wird so in der Messstellung gehalten.
Bei der Inbetriebnahme des Messkopfes wird der Handgriff 31 betätigt und der Messkopf bei Hindurchblicken durch das Schaurohr 23, die rotierende Lochscheibe 4, das Visierohr 6 und die Blende 10 auf das zu messende Objekt gerichtet und genau auf die Stelle eingestellt, deren Temperatur gemessen werden soll. Ist der'Visiervorgang beendet, dann wird der Hebel losgelassen, worauf der Schieber selbsttätig in die Messstellung gleitet. Durch diese Massnahme ist jede Fehlbedienung ausgeschlossen. Die Umschaltung
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gleichbleibender Blende im Verstärker vorgenommen werden.
Die Grösse des'Blendenöffnung ist im Hinblick darauf zu wählen, dass die niedrigste zu messende Temperatur am Messinstrument 12 einen so gro- ssen Zeigerausschlag ergibt, dass er noch mit Sicherheit abgelesen werden kann und hängt vom kleinsten zu messenden Objekt und von der Entfernung vom Messobjekt ab. Während sich bei grossen Objekten (einige dm ! Fläche) und Temperaturen über 4000 C bei Abständen von 0, 5 bis 2 m praktisch keine Schwierigkeiten bezüglich der an der Fotodiode verfügbaren Strahlungsenergie ergeben, muss bei kleinen Messflächen (etwa 1 cmz) und 0, 5-1 m Abstand die Blende so gross gewählt werden, dass das ganze Gesichtsfeld bei dem vorgegebenen Abstand von der MessfIäche ausgefüllt ist.
In diesem Falle ist die Anzeige der Temperatur durch das Messinstrument 12 in weiten Grenzen entfernungsunabhängig.
Das Visierrohr 6 ist mit einem strahlungsabsorbierenden Material reflexionsfrei gemacht, damit seitlich einfallende Strahlung nicht durch Reflexion im Visierrohr 6 auf die Fotodiode 2 fallen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel wurde ein Synchronmotor verwendet, der eine Drehzahl von 3000 Umdr/min hatte. Der Lochdurchmesser der Lochscheibe 4, die knapp : m der Fotodiode 2 vorbeirotierend angeordnet ist, wird zweckmässig gleich den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Lochern ge- wählt und ist vorteilhafterweise etwas grösser als der Durchmesser der Glaslinse der Fotodiode.
Die Loch". zahl selbst wird vorteilhafterweise derart gewählt, dass die Unterbrecherscheibe bei der gegebenenDrehzahl des Sychronmotors eine Lochfrequenz von mehr als 100 Hz liefert, damit Störsignale, die etwa vom Speisewechselstrom von 50 Hz herrühren, im Verstärker vom Nutzsignal getrennt werden können, wobei zweckmässig Lochfrequenzen von 500 bis 1000 Hz gewählt werden, die dann im Verstärker selektiv verstärkt werden können.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausfuhmngsbeispiel beschränkt. Insbesondere kann an Stelle der Lochscheibe auch eine Schlitzscheibe, ein Zahnkranz od. dgl. verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur direkten Messung der Tempeeratur strahlender Körper mittels einer über einen Verstärker mit einem Anzeigeinstrument verbundenen im wesentlichen trägheitslosen fotoelektronischen Zelle, die in einem Messkopf untergebracht ist, der ein auf das Messobjekt hin zu richtendes Visierrohr auf-
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elektronischen Zelle ein Strahlenunterbrecher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Kom- bination folgende Bauelemente aufweist : a) Als Strahlenunterbrecher in an sich bekannterweise eine von einem im Inneren desMesskopfes angeordneten Synchronmotor angetriebene Unterbrecherscheibe (z. B.
Lochscheibe, Schlitzscheibe, Zahnkranz od. dgl.), welche knapp vor der fotoe1ektronischen Zelle angeordnet ist. b) Als fotoelektrische Zelle in an sich bekannter Weise eine infrarotempfindliche Fotodiode, c) eine an sich bekannte Kühlkammer, welche an der dem strahlenden Körper zuzuwendenden Seite des Messkopfes nahe dem Synchronmotor angeordnet ist, d) einen senkrecht zu der optischen Acfise verschiebbaren Schieber, welcher in inniger wärmeleiten- der Verbindung mit der Kühlkammer-steht und auf welchem die fotoelektrische Zelle angeordnet und eine Durchblickoffnung vorgesehen ist, wobei die fotoelektrische Zelle oder die Durchblicköffnung wahlweise in die durch das Visierrohr bestimmte optische Achse bringbar ist.
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