DD146340A1

DD146340A1 - PYROMETER

Info

Publication number: DD146340A1
Application number: DD21586779A
Authority: DD
Inventors: Norbert Maciejewicz; Eberhard Schmidt; Curt-Juergen Schorcht
Original assignee: Norbert Maciejewicz; Eberhard Schmidt; Schorcht Curt Juergen
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1981-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer, bei dem im Lichtstrahlgang des Meszobjektes Blenden, optische Bauelemente und eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung von Wechsellicht angeordnet sind. Sie verfolgt den Zweck, eine direkte Temperaturbestimmung mit relativ geringem Aufwand zu gewaehrleisten und stellt sich die Aufgabe, Stoerstrahlungen von Gehaeuse, Filtern usw. zu eliminieren. Dies wird erreicht, wenn zwei gleiche thermische Empfaenger durch die Modulationseinrichtung alternierend vom Meszlicht bestrahlt und so geschaltet werden, dasz jeder Empfaenger den Stoerstrahlungsanteil des anderen Empfaengers kompensiert.The invention relates to a pyrometer in which diaphragms, optical components and a modulation device for generating alternating light are arranged in the light beam path of the Meszobjektes. It pursues the purpose of ensuring a direct temperature determination with relatively little effort and sets itself the task of eliminating interference from housings, filters, etc. This is achieved when two identical thermal receivers are alternately irradiated by the modulation means by the measuring light and switched so that each receiver compensates for the spurious radiation component of the other receiver.

Description

-*- 21 5 86 7- * - 21 5 86 7

Title of the invention

Pyrometerpyrometer

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Pyrometer, bei dem im Licht-The invention relates to a pyrometer in which, in the light

strahlungsgang des Meßobjektes Blenden, Filter, optische Bauelemente und eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung von Wechsellicht angeordnet sind·Irradiation, the filter, optical components and a modulation device for generating alternating light are arranged ·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen · Characteristic of the known technical solutions

Bei der Auswertung der Eigenstrahlung von Meßobjekten ist neben der zu messenden Strahlung auch eine nicht zu vernachlässigende Störstrahlung vorhanden, die auf den Empfänger "fällt· Sie entsteht iia wesentlichen durch die Strahlung der Gehäuseteile des Meßkopfes·In the evaluation of the intrinsic radiation of test objects, not only the radiation to be measured but also a non-negligible interfering radiation is present which "falls on the receiver". It essentially arises due to the radiation of the housing parts of the measuring head.

Durch geeignete Anordnungen der optischen Bauelemente, der Blenden und Filter hat man versucht, die Störstrahlung gegenüber der Meßstrahlung derart zu verkleinern, daß sie vernachlässigt v/erden kann· So wird durch das WP 57 721 vorgeschlagenj im Strahlengang vor den Temperatunneßstellen eine strahlungsdurchlässige Scheibe aus gleichem oder ähnlichem Material wie das Fenster oder die Linse der Strahlene'intrittsöffnung anzuordnen.By suitable arrangements of the optical components, the diaphragms and filters, attempts have been made to reduce the interference radiation with respect to the measuring radiation in such a way that it can be neglected. Thus, by WP 57 721, a radiation-transmissive disk of the same type is proposed in the optical path in front of the temperature points or similar material as the window or the lens of the Strahlene'intrittsöffnung to order.

Die Störstrahlung der Linse wird dadurch absorbiert und die Erwärmung der Scheibe wird durch die Wärmeleitung zu den Vergleichsstellen der Thermokette bedeutungsloseThe interference of the lens is absorbed by it and the heating of the disc is meaningless by the heat conduction to the reference points of the thermal chain

Kachteil dieser Verfahrensweise ist aber, daß eine Vielzahl komplizierter spektralbereichsspezifischer evakuierter Strahlungsmeßzellen wegen der Auswahl des Materials von Scheibe und Fenster bzw· Linse nötig ist«. Das WP 125 300 sieht vor, die durch die Meßstrahlungsabsorption aufgewärmten Teile wärmeleitend mit dem Gehäuse zu verbinden und zur Abschirmung der Gehäuseeigenstrahlung zwischen Gehäuse und Strahlungsempfänger eine Isoliermasse anzubringen, die bei den Vergleichsstellen der Thermokette durch einen wärmeleitenden Ring unterbrochen ist· Abgesehen davon, daß beim WP 57 721 die Umständlichkeit der Auswahl des Materials von Scheibe und Fenster bzw· Linse vorliegt, haben beide Maßnahmen den Nachteil zu verzeichnen, daß bei kleinen Energien der Meßstrahlung - ζ·Β# erzeugt durch geringe Temperaturdifferenz zur Umgebung oder durch schmalbandige Ausfilterung des Meßlichtes - der Anteil der Störstrahlung unerwünscht groß wird, da er prinzipiell nicht vollständig beseitigt werden kann_o The disadvantage of this procedure, however, is that a multiplicity of complicated spectral range-specific evacuated radiation measuring cells is necessary because of the choice of the material of the pane and window or lens. The WP 125 300 provides to heat-conductively connect the parts heated by the measurement radiation absorption to the housing and to shield the housing's own radiation between housing and radiation receiver an insulating compound which is interrupted at the reference points of the thermal chain by a thermally conductive ring WP 57 721 the inconvenience of selecting the material of disc and window or · lens is present, both measures have the disadvantage that at low energies of the measuring radiation - ζ · Β # generated by low temperature difference from the environment or by narrow-band filtering of the measuring light - the proportion of interference is undesirably large because it can not be completely eliminated in principle _o

Bekannt ist aus dem Handbuch "Technische Temperatur» messung".Vieweg & Sohn, Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1976, S· 378, die Meßlichtstrahlung zu modulieren, um Meß- und Störsignal unterscheidbar zu machen und in einem elektronischen Auswerteteil durch entsprechende . ßchmalbandige Verstärkung des Meßsignals zu trennen. Diese Wechseliichtmethode wird vorzugsweise dort angewandt, wo hohe Meßgenauigkeit bei kleinem Signal/Störniveauverhältnis benötigt wird«It is known from the manual "Technical temperature measurement" .Vieweg & son, Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1976, S · 378 to modulate the Meßlichtstrahlung to make measurement and interference signal distinguishable and in an electronic evaluation by appropriate. To separate narrowband gain of the measuring signal. This alternating light method is preferably used where high measurement accuracy is required with a low signal / interference ratio «

Da das Meßobjekt im aligemeinen ein Temperaturstrahler ist, dessen spektrale Energieverteilung höchstens derSince the object to be measured is generally a temperature radiator whose spectral energy distribution is at most equal to the

Planckschen Verteilung genügen kann, ist das Energieangebot am Empfänger besonders im infraroten Spektrum recht klein, vor allem dann, wenn zusätzlich eine schmalbandige Filterung der Strahlung benötigt wird· Deshalb ragt das zu verstärkende Nutzsignal meist nur wenig aus dem thermischen Widerstandsrauschen der Empfänger heraus und seine Verstärkung erfordert entsprechenden Aufwand· Da die zumeist angewandten thermischen Strahlungsempfänger wie Bolometer und Thermoketten auch keine hohen Wechselfrequenzen verarbeiten können, sondern im niederfrequenten Bereich betrieben werden müssen, ist auch die Trennung dieser kleinen Frequenzen von dem Gleichlichtsignal der Störstrahlung aufwendig· Zwar kann man durch Einsatz von Quantendetektoren hohe Wechselfrequenzen wählen, die leicht trennbar sind, nun muß man aber den Empfänger mit flüssigem Stickstoff kühlen» Diese Maßnahme ist bei Steuer- und Kontrollgeräten in der Praxis nicht erwünscht, da sie eine zusätzliche Wartung mit sich bringt· Um den Aufwand zur Trennung von Nutz- und Störsignal au reduzieren, wird gemäß BRD-OS 2 503 600 eine überproportionale Verstärkung des Nutzsignals mittels eines Analogmultiplizierers vorgeschlagen. Diese Lösung bringt den- Vorteil, daß die Signalamplitude des Nutzsignals entsprechend vergrößert wird, so daß die weitere Verstärkung nicht mehr extrem schmalbandig erfolgen muß. Doch statt des Schmalbandverstärkers wird nun ein Analogmultiplizierer benötigt, der gewissermaßen nur eine Transformation des Aufwandes bedeutet·Planck's distribution can satisfy the energy supply at the receiver, especially in the infrared spectrum is quite small, especially if in addition a narrow-band filtering of the radiation is needed · Therefore, the useful signal to be amplified usually protrudes little from the thermal resistance noise of the receiver and its gain requires the appropriate effort · Since the mostly used thermal radiation receiver such as bolometers and thermo chains can not handle high frequencies, but must be operated in the low frequency range, the separation of these small frequencies of the uniform signal of the interfering radiation is consuming · Although one can by the use of quantum detectors choose high frequencies that are easily separable, but now you have to cool the receiver with liquid nitrogen »This measure is not desirable in control and monitoring devices in practice, as they are an additional waiting In order to reduce the effort for the separation of useful and disturbing signal, according to BRD-OS 2 503 600 a disproportionate amplification of the useful signal by means of an analog multiplier is proposed. This solution has the advantage that the signal amplitude of the useful signal is increased accordingly, so that the further amplification no longer has to be extremely narrow-band. However, instead of the narrowband amplifier, an analog multiplier is now required, which in a sense only means a transformation of the expenditure.

Ziel der ErfindungObject of the invention

£2.£ second

Die Erfindung verfolgt den Zweck, mit relativ geringein Aufwand eine direkte TemperaturbeStimmung eines Meßobjektes, dehe insbesondere ohne zusätzlichen Schmalband-· verstärker oder Analogmultiplizierer- bei hoher Eigentemperatur des Meßobjektes zu gewährleisten,The purpose of the invention is to ensure a direct temperature determination of a test object with relatively little effort, in particular without additional narrow-band amplifier or analog multiplier at high inherent temperature of the test object.

Darlegung des Wesens der Erfindung · Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pyrometer zu schaffen, bei dem die vom Gehäuse, von den Filtern und optischen Bauelementen des Meßkopfes herrührende Störstrahlung eliminiert wird·The invention has for its object to provide a pyrometer, in which the noise originating from the housing, from the filters and optical components of the measuring head is eliminated.

Erfindungsgexnäß wird die Aufgabe gelöst, indem zwei gleiche thermische Empfänger, die durch eine Modulationseinrichtung alternierend vom Meßlicht bestrahlt und so geschaltet werden, daß jeder thermische Empfänger den Störstrahlungsanteil des anderen Empfängers kompensiert. Gut eignen sich für eine derartige Schaltung aktive Infrarot-Detektoren, vorzugsweise Thermoketten oder passive Infrarot-Detektoren, z«B· Bolometer. Bei der Verwendung von Thermoketten als Empfänger wird jeder Empfänger abwechselnd vom modulierten Meßlicht bestrahlt. Sind die beiden Empfänger so geschaltet, daß ihre EMK entgegengesetzt sind, dann entsteht an den Abgriffen ein alternierendes Wechselspannungssignal, das frei von Störsignalen ist und breitbandig verstärkt werden kann·According erfindungsgexnäs the object is achieved by two identical thermal receivers, which are irradiated by a modulation device alternately from the measuring light and switched so that each thermal receiver compensates for the Störstrahlungsanteil the other receiver. Well suited for such a circuit active infrared detectors, preferably thermal chains or passive infrared detectors z «B · bolometer. When using thermal chains as receivers, each receiver is alternately irradiated by the modulated measuring light. If the two receivers are connected in such a way that their emf are opposite, then an alternating alternating voltage signal is produced at the taps which is free from interfering signals and can be amplified in a broadband manner.

Werden Doppelbolometer als Empfänger benutzt, dann wird der Widerstand beider Bolometerempfanger um den gleichen Betrag verändert, da die Störstrahlung gleichzeitig beide Bolometer trifft«If double bolometers are used as receivers, then the resistance of both bolometer receivers is changed by the same amount, since the interfering radiation hits both bolometers at the same time. «

Die Brückenschaltung wird nicht verstimmt und nur die alternierende Meßstrahlung trägt zum Hutzsignal bei·The bridge circuit is not detuned and only the alternating measuring radiation contributes to the Hutz signal ·

embodiment

Die Erfindung soll an Hand der schematischen Zeichnung beispielsweise näher erläutert werden»The invention will be explained with reference to the schematic drawing, for example, closer »

Es zeigen:Show it:

Pig· 1 einen Längsschnitt durch die optische Anordnung eines Pyrometers mit einer Vakuum-Doppe1-Thermokette als Strahlungsempfänger;1 shows a longitudinal section through the optical arrangement of a pyrometer with a vacuum Doppe1 thermo chain as a radiation receiver;

— 5 —- 5 -

- Figo 2 die ETvIK zwischen den Abgriffen der Thermoketten gemäß Figo 1;FIG. 2 shows the ETvIK between the taps of the thermal chains according to FIG. 1;

Fig· 3 einen Längsschnitt durch die optische Anordnung eines Pyrometers mit einem Vakuum-Doppel-Bolometer als Strahlungsempfänger;3 shows a longitudinal section through the optical arrangement of a pyrometer with a vacuum double bolometer as a radiation receiver.

Figo 4 die anliegende Signalspannung am Abgriff der Brückenschaltung gemäß Figo 3·FIG. 4 shows the applied signal voltage at the tap of the bridge circuit according to FIG. 3.

Aus den Fig. 1 und 2 sind die im Strahlengang des Meß- · , lichtes liegenden wesentlichsten Bauelemente des Pyrometers zu erkennen, nämlich eine Linse 1, in deren Brennebene die Gesichtsfeldblende 2 liegt, die Modulationseinrichtung 3 zur Erzeugung eines Wechsellichtes, die als eine um die optische Achse drehbare keilförmige, aus einem für den Durchgang des Meßlichtes geeignetem Material bestehende Platte dargestellt ist, eine weitere Linse 4 und die zwei gleichen thermischen Empfänger 5; 5% die gemäß Fig· 1 in einem evakuierten Röhrchen β in Differenz geschaltete Thermoketten sind und die Abgriffe 7» 7'; 7" aufweisen·FIGS. 1 and 2 show the most essential components of the pyrometer lying in the beam path of the measuring light, namely a lens 1, in whose focal plane the field diaphragm 2 lies, the modulation device 3 for generating a changing light which can be used as a the optical axis rotatable wedge-shaped, consisting of a suitable material for the passage of the measurement light material plate is shown, a further lens 4 and the two same thermal receiver 5; 5% are in accordance with Figure 1 in an evacuated tube β in difference switched thermo chains and the taps 7 »7 '; 7 "have ·

Die Modulationseinrichtung 3 braucht nicht als drehbare und keilförmige Platte ausgeführt sein· Sie kann ζ·Β· auch als Sektorenscheibe oder Schwingspiegel gestaltet sein·The modulation device 3 does not need to be designed as a rotatable and wedge-shaped plate. It can also be designed as a sector disk or oscillating mirror.

Die vom Meßobjekt ausgehende Objektstrahlung erreicht über die Linse 1 die Gesichtsfeldblende 2, in deren Ebene die Objektstrahlung als Meßstrahlung abgebildet wird und über die Modulationseinrichtung 3 und die Linse alternierend die thermischen Empfänger 5; 5'· . Die thermischen Empfänger 5} 5' sind in Fig· 1 als aktive Infrarot-Detektoren wirkende Thermoketten. Sie sind in Differenz geschaltet, so daß ihre EIK entgegengesetzt sind und an den Abgriffen 7 und- 7'* (Figo 2) ein Wechselspannungssignal anliegt, das frei von Störsignalen ist und gegebenenfalls breitbandig verstärkt werden kann«The object radiation emanating from the object to be measured reaches via the lens 1 the field diaphragm 2 in whose plane the object radiation is imaged as measuring radiation and via the modulation device 3 and the lens alternately the thermal receivers 5; 5 '·. The thermal receivers 5} 5 'are thermal chains acting as active infrared detectors in FIG. They are connected in differential, so that their EIK are opposite and at the taps 7 and 7 '* (Figo 2) an alternating voltage signal is present, which is free of interference signals and may possibly be amplified broadband «

- 6 ,- 6,

Aus der Fig» 3 ist die Anwendung der technischen Lehre bei der Benutzung von zwei passiven Infrarot-Detektoren, ζ·Β· Bolometer als thermische Empfänger 5; 5^f ersichtlich. . .' ' Da bei dieser Ausführungsform die Störstrahlung gleichzeitig beide thermische Empfänger 5ι 5¹ trifft, wird der Widerstand beider Empfänger 5» 5* um den gleichen Betrag verändert, so daß durch die Störstrahlung die Brückenschaltung nicht verstimmt wird und nur die alternierende Meßstrahlung zum Nutzsignai beiträgtoFIG. 3 shows the application of the technical teaching in the use of two passive infrared detectors, ζ · Β · bolometers, as thermal receivers 5; 5 ^f can be seen. , . ''Since in this embodiment, the interference simultaneously meets both thermal receiver 5ι 5 ¹ , the resistance of both receivers 5 »5 * changed by the same amount, so that the bridge circuit is not detuned by the interference and only the alternating measuring radiation contributes to Nutzsignai

Claims

claim

1 · pyrometer, in which in the beam path of the measuring light aperture. Filter, optical components and a Modulatiohseinrichtung for generating alternating light fishing are assigned, characterized by two identical thermal, see. Receivers which are irradiated by the modulation device alternately from the measuring light and are connected so that each receiver compensates the Stb'rstrahlungsanteil the other receiver ·

2 · Pyrometer according to item 1, characterized in that the thermal receivers are active infrared detectors, preferably vacuum thermo chains

3o pyrometer according to one of the items 1 and 2, characterized in that the thermal receivers are passive infrared detectors, preferably vacuum bolometers ·

Dazu_J__Seiten drawings