DD160325A3 - Anordnung zur energiemessung fuer elektromagnetische strahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiemessung fuer elektromagnetische Strahlung nach dem kalorimetrischen Prinzip und ist insbesondere zur Bestimmung der Energie von Laserimpulsen geeignet.Ziel der Erfindung ist das Erreichen einer hohen Messgenauigkeit bei kurzer Messzeit und groesstmoeglicher Unabhaengigkeit von Umgebungseinfluessen unter Beruecksichtigung eines niedrigen und unkomplizierten technologischen Aufwandes zur Herstellung der Bauteile der Energiemessanordnung. Es war eine neue Loesung fuer die vollstaendige Ableitung und Messung der gesamten von der elektromagnetischen Strahlung erzeugten Waermeenergie zur erarbeiten. Dazu werden zwei Absorberkegel in Differenzanordnung in eine geaetzte Leiterplattenstruktur thermisch leitend eingebettet. Die geaetzte Leiterstruktur ist als Lamellenstruktur ausgebildet, welche als Thermoelementebatterie in Reihe geschaltet ist. Dies gestattet eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit und gewaehrleistet einen einfachen technologischen Aufbau der gesamten Anordnung.

Description

Titel der Erf induing

Anordnung zur Energiernessung für elektromagnetische Strahlung

Anwendungsgebiet^ dear Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Energie gepulster elektromagnetischer Strahlung nach dein kalorimetrischen Prinzip. Sie ist "besonders für eine Bestimmung der Energie von Laserstrahlimpulsen geeignet« Die Erfindung ist anwendbar bei einem absolut messenden, direkt anzeigenden Energiemeßgerät für Impulslaser mit hoher Genauigkeit, großer Auflösung und schneller Meßfolge.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Snergiemessung elektromagnetischer Strahlung nach dem kalorimetrischen Prinzip wird die Strahlungsenergie zunächst über eine Wärmeenergie in eine Temperaturerhöhung umgewandelt, die dann elektrisch gemessen und ausgewertet v/erden kann»

Zur Umwandlung in Wärmeenergie ist die möglichst vollständige Absorption der Strahlungsenergie unabhängig von der Wellenlänge erforderlich. Hierfür haben sich scheiben- und kegelförmige Absorber aus geschwärztem Metall, Graphit u.a. und Volumenabsorber für hohe Strahlungsbelastungen aus Glas durchgesetzt.

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Die in diesen Absorbern durch die Strahlung erzeugte Temperaturerhöhung wird über Thermistoren oder Thermoelemente gemessen und zur Anzeige gebracht. Wichtig ist die Tatsache, daß die Meßgenauigkeit unabhängig vom Auftreffort des Strahlungsbündels auf der Absorberfläche und der Energieverteilung über dem Strahlquerschnitt ist. Deshalb kann die Messung erst nach erfolgtem Temperaturausgleich im Absorber erfolgen. Während dieser Zeit muß der Wärmeverlust durch Ableitung oder Strahlung im Rahmen der Meßgenauigkeit vernachlässigbar sein.

Dazu ist eine gute thermische Isolation und eine große Abklingzeitkonstante des Absorbermaterials notwendig. Diese wiederum bestimmt die maximale Meßfolge.

Um den Temperaturausgleich abzuwarten, wurde in der Erfindungsbeschreibung DD - WP 62929 ein Absorberkegel mit Schaft vorgeschlagen, der in Verbindung mit einem Wärmereservoir steht. Hierbei kommt es sur Ausbildung eines Temperaturgradienten über den gesamten Schaft beim Abfluß der Wärme zum nachfolgenden Wärmereservoir. Die Temperaturmessung wird also bis zur Einstellung eines, allerdings nur angenäherten, Wärmegleichgewichtes verzögert. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß nicht die gesamte Wärmemenge über den Schaft abfließt, sondern auch in die Umgebung, abgestrahlt wird. Es kommt zu unkontrollierbaren Wärmeverlusten und somit zu Meßfehlern.

Eine weitere Möglichkeit vom Auftreffort und der Intensität svert eilung über den Strahlquerschnitt unabhängig zu werden, offenbart das Wirtschaftspatent DD-WP 132544. Darin werden mehrere Meßfühler in Form von Thermoelementen oder Thermistoren über die Gesamtfläche des Absorbers verteilt.

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Die beschriebenen Anordnungen besitzen weiterhin den ITachteil der schwierigen technologischen Beherrschbarkeit, Die Umweltstrahlung und Umgebungslufttemperaturdrift begrenzen die Meßauflösung "uncL die Anwendbarkeit bei Gzs-k— ter Energiemessung mit hoher Auflösung.

Zur Verminderung der Auswirkung dieser Störeinflüsse ist die Verwendung einer Differenzanordnung aus zwei gleichen Absorbern allgemein bekannt. Dazu ist aber eine hohe ab-

D solute Gleichheit der Absorber in Hinblick auf ihre Empfindlichkeit, Anspruchzeit und der Abklingzeitkonstaiite für eine Energiemessung mit höchster Genauigkeit notwendig.

Die Produktion zweier in ihren Eigenschaften vollkommen gleichwertiger Absorber erfordert größere technologische Aufwendungen, komplizierte Prüf- und Eichverfahren und bedeutet somit einen hohen ökonomischen Aufwand

Die Herstellung dieser Absorberelemente gestaltet sich weiterhin als schwierig zu reproduzieren, um eine größere Anzahl gleichwertiger Anordnungen zur Energiemessung zu erhalten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist das Erreichen einer hohen Meßgenauigkeit bei kurzer Meßzeit und größtmöglicher Unabhängigkeit von den Umgebungseinflüssen unter Berücksichtigung eines niedrigen und unkomplizierten technologischen Aufwandes zur Herstellung der Bauelemente der Energiemeßanordnung.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neue Lösung für die Ableitung und Messung der gesamten von

der elektromagnetischen Strahlung erzeugten Wärmeenergie zu finden.

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Weiterhin ist eine geeignete Auswerteeinheit zur elektronischen Verarbeitung der gewonnenen Meßgrößen zu realisieren.

Die Aufgabe zur Schaffung einer Anordnung zur Energiemessung für elektromagnetische Strahlung nach dem kalorimetrischen Prinzip bestehend aus einem Absorberelement, einer Thermoelementebatterie und einem Wärmereservoir, wird dadurch gelöst, daß die Thermoelementebatterie als eine äußere und eine innere, jeweils in sich geschlossene, thermisch und elektrisch leitende Lamellenstruktur ausgebildet ist, wobei deren einzelne Lamellenelemente über Wärmewiderstandsbrücken von der inneren zur äußeren Lamellenstruktur miteinander Verbindungen aufweisen und zur Integration der sie durchfließenden Wärmemengen elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß das Absorberelement im Inneren der inneren und in sich geschlossenen Lamellenstruktur in thermisch leitender Verbindung mit jedem einseinen Lamellenelement angeordnet ist, daß sich die äußere und in sich geschlossene Lamellenstruktur in thermisch leitender Verbindung zum Wärmereservoir befindet und daß elektrisch leitende Verbindungen von einer nachgeordneten Auswerteeinheit zu den Anschlüssen der Thermoelementebatterie vorhanden sind.

Die einzelnen Leone11enelemente der äußeren und der inneren, jeweils in sich geschlossenen Lamellenstruktur können kreisringförmig angeordnet werden. Weiterhin sind auch andere geometrische Formen dazu denkbar. Die Zahl der Lamellenelemente der äußeren und der inneren Lamelleiistruktur sollte von gleicher Größe sein, ist aber auch in Abhängigkeit von der gewünschten Meßgenauigkeit in gewissen Grenzen variierbar. Besonders vorteilhaft für eine einfache und unkomplizierte technologische Beherrschbarkeit ist, daß die innere und die äußere Lamellenstruktur und die sie verbindenden Wärmewiderstandsbrücken in Porm von Leiterzügen als flächenhafte Gebilde auf einem thermisch und elektrisch isolierenden Grundmaterial angeordnet sind.

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Das Wärmereservoir bestellt aus einem thermisch gut leitendem Material, dessen Wärmekapazität ein Vielfaches der Wärmekapazität der Thermoelementebatterie beträgt. Die Wärmewiderstandsbrücken können weiterhin aus Widerstandsdraht bestehen und elektrisch und thermisch leitende Verbindungen mit den Lamellenelementen aufweisen.

Ausführung sbei sp i e1

Das Wesen der Erfindung soll an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher er-) läutert werden

Ss zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Snergiemessung, Fig. 2: die Darstellung der Thermoele

ment ebatt erie,

Fig. 3: eine weitere Anordnung zur Energiemessung mit Kompensation der Umgebungsstöreinflüsse und ' Fig. 4: eine mögliche Ausgestaltung

der Auswerteeinheit.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Anordnung zur Energiemessung für elektromagnetische Strahlung nach dem kalorimetrischen Prinzip aus einem Absorberelement 1, einer Thermoelementebatterie 2 und einem Wärmereservoir 3, wobei sich das Absorberelement 1 mit der Thermoelementebatterie 2 und die Thermoelementebatterie 2 mit dem Wärmereservoir in wärmeleitenden Kontakt miteinander befinden. Die Thermoelementebatterie 2 ist zur besseren Übersichtlichkeit nur vereinfacht dargestellt. DerAufbau der Thermoelementebatterie 2 ergibt sich an Hand von Fig* 2.

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Danach ist die Thermoelementebatterie 2 als eine äußere und eine innere 5, jeweils in sich geschlossene, thermisch und elektrisch leitende Laraellenstruktur ausgebildet. Aus Gründen der deutlicheren Darstellung sind nur eine begrenzte Anzahl der einzelnen Lamellenelemente der inneren 5 und äußeren 4 Lamellenstruktur dargestellt. Die Zahl der Lamellenelemente ist je nach der gewünschten Meßgenauigkeit variierbar. Die einzelnen Lamellenelemente der inneren 5 und äußeren 4 Lamellenstruktur weisen über Wärmewiderstandsbrücken 6 von der inneren 5 zur äußeren Lamellenstruktur miteinander Verbindung auf. Zur Integration der die einzelnen Lamellenelemente der inneren 5 und äußeren 4 Lamellenstiuktur durchfließenden Wärmemengen sind die Lamellenelemente über elektrisch leitende Verbiiidungen 7 elektrisch in Reihe geschaltet. Weiterhin bestehen von einer nachgeordneten Auswerteeinheit S zu den Anschlüssen der Thermoelementebatterie 2 elektrisch leitende Verbindungen 7

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich das Absorberelement 1 im wärmeleitenden Kontakt mit jedem einzelnen Lame11enelement der inneren und in sich geschlossenen Lamellenstruktur 5 befindet. Die Lamellenelemente der äußeren und in sich geschlossenen Lamellenstruktur 4 weisen eine warmeleitende Verbi2idung zum Wärmereservoir 3 auf. Das Wärmereservoir 3 besteht aus einem thermisch gut leitendem Material, dessen Wärmekapazität ein Vielfaches der Wärmekapazität der Thermoelementebatterie 2 beträgt.

Das Strahlenbündel 9 der elektromagnetischen Strahlung trifft auf das Absorberelement 1. Das Absorberelement kann als Scheibe oder Kegel ausgeführt werden. Bei einer Scheibenausführung ist zur Erhöhung der Absorbtionseigenschaften eine 60°-Rillenstruktur zv/eckmäßig. Als Material eignen sich u.a. geschwärztes Metall, Graphit oder für höhere Strahlungsleistungen Glas.

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Die Absorbtion der elektromagnetischen Strahlung bewirkt im Absorberelement 1 eine Temperaturerhöhung. Die entstandene Y/ärme fließt sodann über die Thermoelementebatterie 2 zum Wärmereservoir 3 a.b, auf Grund des Temperaturgradienten innerhalb der Thermoelementebatterie 2 entsteht eine Thermospannung die von der nachgeordneten Auswerteeinheit 8 gemessen werden kann. Durch die aus Fig. 2 ersichtliche Ausgestaltung der Thermoelementebatterie erfolgt eine elektrische Integration aller an den verschiedenen Stellen des Absorberelements 1 auftretenden differentiellen Wärmemengen, unabhängig vom Auftreffpunkt des Strahlenbündels 9 auf das Absorberelement 1 und der Intensitätsverteilung über den Strahlungsbündelquerschnitt.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich nun, wenn die in Pig. 2 näher dargestellte Thermoelementebatterie 2 mit ihrer inneren 5 und äußeren 4 Lamellenstruktur und den Wärmewiderstandsbrücken 6 in Form von Leiterzügen als flächenhafte Gebilde auf einem thermisch und elektrisch isolierenden Grundmaterial angeordnet werden.

Dies ist z. B.'in Form einer Leiterplatte möglich, wobei die Thermoelementebatterie 2 mit ihren Lamellenstrukturen 4 und 5 eingeätzt und eventuell gleichzeitig mit den elektrisch leitenden Verbindungen 7 versehen werden.

Es besteht aber ebenfalls die Möglichkeit, die Wärmewiderstandsbrücken 6 als Wärmewiderstandsdraht auszubilden und in die eingeätzte Leiterstruktur in elektrisch und thermisch leitende Verbindung mit den Lamellenelementen einzusetzen. Hierdurch wäre eine Verstärkung des thermisch-elektrisehen Effektes möglich.

Eine Kombination beider Möglichkeiten, die Y/ärmewiderstandsbrücken 6 als eingeätzte Leiterzüge und/oder Wärmewiderstandsdraht auszubilden, ist ebenfalls denkbar, Die o. g. Ausgestaltung der Thermoelementebatterie 2

gibt die Möglichkeit mit minimalem technologischen Auf-Y/and und unkomplizierte Art und Weise auch eine größere

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Anzahl von Energiemeßanordnungen herzustellen. Durch die exakte Dimensionierbarkeit der Leiterplattenzüge, gute thermische Isolationseigenschaften und geringe Abstrahluiigsf la-cheii. ist due exakle ntprodusici'uaikeii in der Herstellung und bei den Meßergebnissen möglich. Die Abklingzeitkonstante der gesamten Anordnung kann weiterhin durch die Wahl der Breite der Leiterzüge genau festgelegt werden

Bei entsprechender Dimensionierung können elektromagnetische Strahlenimpulse (Laserimpulse), Dauerleistungen (Dauerstrichlaser) aber auch Strahlungsleistungen von Lumineszenzdioden u. ä. Elementen exakt und schnell gemessen werden

Eine Steigerung der Meßgenauigkeit ergibt sich, wenn durch geeignete Maßnahmen die Umgebungsstöreinflüsse, wie z. B. die Lufttemperaturdrift, kompensiert werden. Dazu ist die Verwendung der bekannten Differenzanordnung für die erfindungsgemäßen Elemente möglich. Eine solche Energiemeßanordnung ist in Pig. 3 dargestellt.

Sie besteht aus zwei Absorberelementen 1, dem Meßabsorber und dem Referenzabsorber, der Thermoelementebatterie 2 in zweifacher Ausführung, wobei diese ebenfalls technologisch rationell und reproduzierbar auf einer Leiterplatte ausgeführt werden kann, und dem Wärmereservoir 3.

Die einzelnen Lamellenelemente der äußeren 4 und inneren 5 Lamellenstruktur der Thermoelementebatterie 2 sind in dieser Ausführungsform kreisringförmig angeordnet. Im Zusammenhang mit der geometrischen Form des Absorberelementes· 1 kann hier frei ^variiert werden. Ebenfalls in Hinblick auf die Zahl der einzelnen Lamellenelemente besteht im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit eine freie Wählbarkeit, vorzugsweise sollte die Zahl der Lamellenelemente der äußeren 4 und inneren 5 Lamellenstruktur von gleicher Größe sein.

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Das Ab s orb er el ein ent 1 in Pig. 1 oder die beiden Absorberelemente 1 in Fig. 3 können auf bekannte Art und Weise mit einem Heizwiderstand in Form eines Schichtwiderstandes oder einer Heizwicklung versehen werden* Hierdurch ist eine leichte absolute Eichbarkeit der Energiemeßanordnung durch Zuführung einer bekannten Energiemenge möglich.

In der Differenzanordnung nach Pig. 3 ist dadiirch weiterhin eine schnellere Herstellung der Meßbereitschaft realisierbar, indem das zweite Absorberelement 1, das als Referenzabsorber wirkt, nach erfolgter Messung durch Zuführung einer bestimmten Energiemenge auf die gleiche Temperatur wie das erste Absorberelement 1, das als _Meßr:_... absorber arbeitet, gebracht wird. Die dafür benötigte Zeit beträgt den doppelten Wert der Ansprechzeit und ist somit um ein bis zwei Größenordnungen geringer als die sonst v/irksame Abklingzeitkonstante. Weiterhin kann ein Wegdriften des Nullpunktes während oder bis zur folgenden Messung verhindert werden.

Eine mögliche Ausgestaltung der Auswerteeinheit 8 für die Energiemeßanordnung in Pig. 3 ist in der Pig. 4 als Blockschaltbild dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein elektronisch gesteuertes Kompensationsverfahren. Dabei sind ein Meßverstärker 10, ein AID-Wandler 11, ein Tor !5 12, ein Taktgenerator 13, ein Zähler 14, eine schaltbare Spannungsquelle 15 und ein Eichgenerator 16 in elektrisch leitender Verbindung miteinander angeordnet. Von der Auswerteeinheit-8 bestehen elektrisch leitende Verbindungen 7 zu den Anschlüssen der Thermoelementebatterien 2 der Jibsorberelemente 1 der Energiemeßanordnung. Die Absorberelemente 1 (Meßabsorber und Referenzabsorber) sind in diesem Falle kegelförmig gestaltet. Die Widerstände 17 symbolisieren den Heizwiderstand der in der Differenzanordnung gemäß Fig. 3 zur Eichung und Wiederherstellung der Meßbereitschaft auf die Absorberelemente 1 aufgebracht werden kann.

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Der Heizwiderstand 17 v/eist ebenfalls eine elektrisch leitende Verbindung 7 zur Auswerteeinheit 8 auf. Der AID-WsηΛΙer 11 arbeitst als Spannungs-Zeit-Wandler und steuert mit diesem Signal das Tor 12 für den Zähler 14 (Meßergebnis), gleichzeitig wird für diese Zeit die schaltbare Spannungsquelle 15 eingeschaltet, d.h. dem Absorberelement 1 das als Referenzabsorber arbeitet, wird die gleiche Energie in Form eines kurzen Stromimpulses über den Heizwiderstand 17 zugeführt. Eine . absolute Eichung der Energiemeßanordnung ist über den Eichgenerator 16 möglich.

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Claims (6)

1. ^ 1 Q Π

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   ErfindungsansOruch

   1. Anordnung zur Energiemessung für elektromagnetische Strahlung nach dem kalorimetrischen Prinzip bestehend aus einem Absorberelement, einer Thermoelementebatterie und einem \¥ärmereservoir, gekennzeichnet dadurch, daß die Thermoelementebatterie als eine äußere und eine innere, jeweils in sich geschlossene, thermisch und elektrisch leitende Lamellenstmktur ausgebildet ist, wobei deren einzelne Lamellenelemente über Wärmewiderstandsbrücken von der inneren zur äußeren Lamellenstruktur miteinander Verbindungen aufweisen und zur Integration der sie durchfließenden Wärmemengen elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß das Absorberelement im Inneren der inneren und in sich geschlossenen Lamellenstruktur in thermisch leitender Verbindung'mit jedem einzelnen Lame11enelement angeordnet ist, daß sich die äußere und in sich geschlossene Laiiiellenstruktur in thermisch leitender Verbindung zum Wärmereservoir befindet und daß elektrisch leitende Verbindungen von einer nachgeordneten Äuswerteeinheit zu den Anschlüssen der Thermoelementebatterie vorhanden sind.
2. 2. Anordnung zur Energiemessung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen Lamellenelemente der äußeren und der inneren, jeweils in sich geschlossenen Lamellenstruktur kreisringförmig angeordnet ist.
3. 3. Anordnung zur Energiemessung nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Zahl der Lamellenelemente der äußeren und inneren Lamellenstruktur von gleicher Größe ist.

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4. 4. Anordnung zur Energieniessung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die innere und äußere Lamellenntruktur und die WajraiewidsrstandsbrucVen in. Form von Leiterzügen als flächenhafte Gebilde auf einem

   thermisch und elektrisch isolierenden Grundmaterial
   angeordnet sind.
5. 5. Anordnung zur Energiemessung nach Punkt 1 bis 4₅ gekennzeichnet dadurch, daß das Wärmereservoir aus
   einem thermisch gut leitendem Material besteht, dessen Wärmekapazität ein Vielfaches der Wärmekapazität der Thermoelementebatterie beträgt.
6. 6. Anordnung zur Knergiemessung nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmewiderstandsbrücken aus Widerstandsdraht bestehen und elektrisch und

   thermisch leitende Verbindungen mit den Lamellenelementen aufweisen.

   Hierzu..^ Seiten Zeichnungen

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