DE102014012913B4

DE102014012913B4 - Energiestrahl-Leistungsmessung

Info

Publication number: DE102014012913B4
Application number: DE102014012913.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Volker Brandl; Stefan Wolf
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2034-09-06
Also published as: DE102014012913A1; WO2016034160A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung mit hoher Genauigkeit. Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Die Energiestrahlung wird von einem Absorber aufgefangen. Der Absorber wird mit einem Kühlmittel gekühlt. Das Kühlmittel wird mit mindestens einem Heizelement geheizt, wobei das Kühlmittel das Heizelement und den Absorber nacheinander durchströmt. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Kühlmittels an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Heizelement und dem Absorber. Es wird weiterhin ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Kühlmittels an einer Position zwischen dem Heizelement und dem Absorber. Es wird schließlich ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Kühlmittels an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Heizelement und dem Absorber. Es wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst, und es wird ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Eine Heizleistung des Heizelements wird erfasst. Ferner wird die Leistung der Energiestrahlung unter Verwendung der erfassten Differenzsignale und der Heizleistung des Heizelements berechnet. Weiterhin wird auch eine Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung vorgeschlagen, welche einen Absorber, eine Kühlvorrichtung, mindestens ein Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung. Die Energiestrahlung kann beispielsweise Laserstrahlung sein. Die Erfindung ist für die kontinuierliche Messung von Energiestrahlung sehr hoher Leistung mit hoher Genauigkeit geeignet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Messung der Leistung oder der Intensität von Energiestrahlung, insbesondere von Laserstrahlung, sind viele unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Zur Messung von Laserstrahlung können lichtempfindliche Sensoren, beispielsweise Photodioden, verwendet werden. Derartige Detektoren können jedoch nur für sehr geringe Strahlleistungen eingesetzt werden. Es sind daher auch Vorrichtungen bekannt, bei denen der Strahl durch teilreflektierende Spiegel oder sonstige Elemente abgeschwächt wird, bevor der entsprechend abgeschwächte Strahl auf einen Detektor trifft. Eine Vorrichtung dieser Art ist aus dem US Patent Nr. 6,023,053 bekannt. Dort werden zur Abschwächung des Strahls ND-(Neutraldichte-)Filter und ein Sperrfilter für sichtbare Strahlung vorgeschlagen, bevor der Strahl auf die Photodiode trifft.
Sofern man die Strahlleistung momentan während der gleichzeitigen Verwendung des Strahls messen möchte, ist die Auskopplung eines möglichst schwachen Teilstrahls aus dem Hauptstrahl eine probate Möglichkeit zur Messung. Eine derartige Vorrichtung, die zur Messung der Laserleistung in einem Laserbearbeitungskopf dient, wird in der DE 10 2008 028 347 A1 offenbart.
Ein Nachteil der bisher genannten Vorrichtungen ist, dass die Messergebnisse aufwändig kalibriert werden müssen. Weiterhin ist die Empfindlichkeit von Photodetektoren und die Dämpfung der abschwächenden Elemente zumeist von Umgebungseinflüssen abhängig, wie der Temperatur oder auch der Luftfeuchte. Die Genauigkeit von Vorrichtungen dieser Art ist daher relativ gering.
Zur Messung von Strahlungsleistungen mit hoher Genauigkeit werden beispielsweise kalorimetrische Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren können auch teilweise für höhere Strahlungsleistungen eingesetzt werden. Es sind unterschiedliche kalorimetrische Verfahren bekannt. So sind beispielsweise aus der DE 42 43 902 C2 und der EP 0 629 845 A1 Vorrichtungen bekannt, bei denen einen thermisch isolierter Absorber vom Strahl aufgeheizt wird und die Temperaturänderung des Absorbers mit einem Temperatursensor gemessen wird. Das Prinzip der Messung beruht darauf, einen Absorber, der dabei als thermische Masse aufgefasst wird, durch einen Einzelpuls des Energiestrahls aufzuheizen. Diese Methode wird auch ballistische Messung genannt. Aus der Differenz der Anfangs- und der Endtemperatur der thermischen Masse sowie der Wärmekapazität der thermischen Masse kann dann die Strahlungsenergie einfach berechnet werden.
Zur Messung kontinuierlicher Strahlung sind ballistische Verfahren nur bedingt geeignet. Zwar kann der Strahl für die Messung nur für einen begrenzten Zeitraum eingeschaltet werden; zur Berechnung der Strahlleistung muss dann zusätzlich die Einschaltdauer bekannt sein oder gemessen werden. Danach muss jedoch die thermische Masse durch Abkühlung wieder in einen geeigneten Ausgangszustand versetzt werden.
Um bei kalorimetrischen Messungen eine hohe Genauigkeit zu erreichen, kommt auch der Gestaltung des Absorbers eine wesentliche Bedeutung zu. Der Absorber muss dazu so gestaltet sein, dass der auftreffende Energiestrahl praktisch vollständig absorbiert wird. Dies ist mit einer einfachen, absorbierend beschichteten Fläche kaum möglich. Der Absorber kann daher als Hohlraum gestaltet sein, in dem Restreflexionen von den absorbierenden Flächen durch multiple Reflexion bzw. Absorption praktisch vollständig aufgefangen werden. Einen entsprechend gestalteten Hohlraum-Absorber zeigt beispielsweise das US Patent Nr. 7,125,163 B2 . Der Absorber und damit die thermische Masse hat dadurch zwangsläufig eine gewisse Größe und komplexe Gestaltung. Um die hierbei entstehende Unsicherheit bei der Größe der thermische Masse (der Wärmekapazität) zu verringern, ist es aus der US 2005/0111519 A1 bekannt, den Absorber zusätzlich mit einer Heizung auszustatten. Die Kalibration erfolgt dann durch Heizen des Absorbers mit einer bekannten Heizleistung und der Bestimmung der Temperaturerhöhung des Absorbers.
Aus den genannten Gründen ist eine kontinuierliche Messung der Strahlungsleistung mit kalorimetrischen Verfahrens des ballistischen Typs nicht möglich.
Zur Messung von kontinuierlicher Energiestrahlung ist es daher aus dem Stand der Technik bekannt, den Absorber, der die Strahlung auffängt und in Wärme umsetzt, mit einem Kühlmittel kontinuierlich zu kühlen. Eine relativ einfache Vorrichtung dieser Art ist aus dem US Patent Nr. 4,522,511 bekannt. Dabei misst ein Thermoelement direkt die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass. In der dort gezeigten Vorrichtung sind keine Mittel zur Bestimmung des Kühlmitteldurchflusses vorgesehen. Die Vorrichtung ist daher nur geeignet zur Bestimmung relativer Leistungen und setzt voraus, dass der Kühlmitteldurchfluss konstant ist.
Eine ähnliche Messvorrichtung wird im US Patent Nr. 5,156,459 offenbart. Dort wird zusätzlich zu den Temperaturen des Kühlmittels vor und nach dem Absorber (in der zitierten Patentschrift „calorimeter” genannt) auch der Kühlmitteldurchfluss erfasst. Der dort in der Beschreibung angegebene Durchflussmesser („flowmeter”, Model FTO-4 des Herstellers Flow Technology) ist ein Turbinen-Durchflusszähler.
Bei Vorrichtungen der zuletzt genannten Art ergibt sich die Strahlleistung aus dem Absorptionsgrad des Absorbers, aus der Differenz der Temperatur des Kühlmittels vor dem Absorber und der Temperatur des Kühlmittels nach dem Durchströmen des Absorbers, aus der Wärmekapazität des Kühlmittels und aus dem Durchflussvolumen des Kühlmittels. Die Rückrechnung auf eine in das Kühlmittel eingeführte Wärmemenge aus den Messwerten für die Temperatur erfolgt hier also über die Wärmekapazität des Kühlmittels gemäß der folgenden Relation: P_Ab = ΔTc(T)ρ(T)dV/dt [Formel 1]
Dabei bedeuten:

P_Ab:: Vom Absorber ins Kühlmittel eingebrachte Wärmemenge (Leistung)
ΔT:: Temperaturdifferenz des Kühlmittels vor und nach dem Absorber
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels
p(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Kühlmittels
dV/dt:: Volumendurchfluss des Kühlmittels pro Zeit

Zur Bestimmung der Leistung nach Formel 1 ist also die Kenntnis oder Messung vieler unterschiedlicher Größen erforderlich. Die Messung dieser Größen ist prinzipiell fehlerbehaftet. Einige der Größen sind zudem üblicherweise Schwankungen unterworfen, die nicht direkt messbar sind.
Bei der Betrachtung der Messgenauigkeit ist zunächst die exakte Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bzw. der Volumendurchfluss des Kühlmittels dV/dt zu nennen. Der Volumendurchfluss wird typischerweise mit mechanischen Sensoren oder Messgeräten gemessen wie zum Beispiel mit Turbinen oder Ovalradzählern. Solche Durchflussmesser sind empfindlich gegenüber Verschmutzungen im Kühlkreislauf. Verschmutzungen im Kühlmittel lassen sich auch mit Partikelfiltern nicht vollständig herausfiltern und führen so zusammen mit der mechanischen Abnutzung beweglicher Teile zu erhöhten Messfehlern und einer eingeschränkten Lebensdauer dieser für das Messverfahren wichtigen Komponente.
Eine weitere Problematik, welche sich auf die bekannten Messverfahren auswirkt, ist die Verwendung von Additiven bzw. Zusätzen in Kühlmittelkreisläufen. Diese Gegebenheit wirkt sich in zweifacher Hinsicht negativ auf die bekannten Messverfahren aus. So verkürzt sich die Lebensdauer beweglicher mechanischer Teile in Durchflussmessern zusätzlich, da die in Durchflussmessern verbauten Materialien durch den Kontakt mit Additiven, insbesondere aber durch den Kontakt mit entionisiertem Wasser, chemisch angegriffen werden.
Der zweite Aspekt bei der Verwendung von Additiven ist die Änderung der spezifischen Wärmekapazität c(T) und der Dichte ρ(T) des Kühlmittels durch das Einmischen von Zusätzen in den Kühlmittelkreislauf. Sofern die Vorrichtungen nicht unter denselben Kühlkreislauf-Bedingungen kalibriert werden, kommt es, je nach Mischungsverhältnis zwischen Zusätzen und reinem Kühlmittel (zum Beispiel Wasser), zu kleineren bis hin zu signifikanten Abweichungen bei der Leistungsbestimmung.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Leistung von Energiestrahlung weisen demnach erhebliche Nachteile in Bezug auf die Lebensdauer der Vorrichtungen und die Genauigkeit der Messverfahren auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zur Messung der Leistung von Energiestrahlung, insbesondere von Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung geeignet sind, eine besonders hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen und welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermeiden oder reduzieren.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren zur Messung der Leistung von Energiestrahlung vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Die Energiestrahlung wird von einem Absorber aufgefangen. Der Absorber wird mit einem Kühlmittel gekühlt. Das Kühlmittel wird mit mindestens einem Heizelement geheizt, wobei das Kühlmittel das Heizelement und den Absorber nacheinander durchströmt. Es wird ein erstes Signal in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Kühlmittels an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Heizelement und dem Absorber erzeugt. Es wird weiterhin ein zweites Signal in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Kühlmittels an einer Position zwischen dem Heizelement und dem Absorber erzeugt. Es wird schließlich ein drittes Signal in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Kühlmittels an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Heizelement und dem Absorber erzeugt. Es wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst, und es wird ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Eine Heizleistung des Heizelements wird erfasst. Ferner wird die Leistung der Energiestrahlung unter Verwendung der erfassten Differenzsignale und der Heizleistung des Heizelements berechnet.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Heizleistung des Heizelements zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert werden.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens kann die Modulation der Heizleistung durch Pulsweitenmodulation erfolgen.
Es ist auch eine Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, bei dem das Kühlmittel zusätzlich mit einem zweiten Heizelement geheizt wird, und bei dem ein viertes Signal erzeugt wird in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Kühlmittels an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement.
Die Heizleistung des ersten Heizelements und die Heizleistung des zweiten Heizelements können jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert werden.
Die Heizleistung des ersten Heizelements kann maximal sein an einem Zeitpunkt, an dem die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements kann maximal sein an einem anderen Zeitpunkt, an dem die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens können das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
Es wird weiterhin ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Heizen des Kühlmittels das erste Differenzsignal zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal erfasst und gespeichert. Aus dem vor dem Heizen erfassten ersten Differenzsignal kann eine durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels erzeugte Wärmemenge bestimmt werden.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem die berechnete Leistung der Energiestrahlung um die durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch eine Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung vorgeschlagen, welche einen Absorber, eine Kühlvorrichtung, mindestens ein Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst. Dabei ist der Absorber ausgebildet zur Absorption der Energiestrahlung. Die Kühlvorrichtung beinhaltet ein Kühlmittel, das den Absorber durchströmt. Das mindestens eine Heizelement ist zum Heizen des Kühlmittels ausgebildet, wobei das Kühlmittel in der Kühlvorrichtung das mindestens eine Heizelement und den Absorber nacheinander durchströmt. Die Steuereinheit ist zur Steuerung einer Heizleistung des Heizelementes ausgebildet. Der erste Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Heizelement und dem Absorber in der Kühlvorrichtung angeordnet, der zweite Temperatursensor ist zwischen dem Heizelement und dem Absorber in der Kühlvorrichtung angeordnet, und der dritte Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Heizelement und dem Absorber in der Kühlvorrichtung angeordnet. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet zum Erfassen und Auswerten der Signale der Temperatursensoren.
Es wird weiterhin eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, die Heizleistung des Heizelements zwischen Null und einer maximalen Heizleistung zu modulieren.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Heizleistung des Heizelements durch Pulsweitenmodulation zu steuern.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein zweites Heizelement in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem ersten Heizelement in der Kühlvorrichtung angeordnet, und ist ein vierter Temperatursensor zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Kühlvorrichtung angeordnet.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Heizleistung des ersten Heizelements und die Heizleistung des zweiten Heizelements jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung zu modulieren.
Es ist auch vorgesehen, dass die Heizleistung des ersten Heizelements maximal ist an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und dass die Heizleistung des zweiten Heizelements maximal ist an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Elements Null ist.
Die Steuereinheit kann weiterhin ausgebildet sein, das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und auszuschalten.
Es wird auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements durch Pulsweitenmodulation zu steuern.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung in einer Ausführungsform mit einem Heizelement.
2: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ausführungsform mit zwei Heizelementen.
3: Eine schematische Darstellung der Ansteuerung der zwei Heizelemente in einer Ausführungsform, bei der die Ein- und Ausschaltzeiten der beiden Heizelemente Pulsweiten-moduliert sind. In dem gezeigten Beispiel wird durch die Pulsweitenmodulation ein sinusförmiger Verlauf der Heizleitung bei beiden Heizelementen angenähert.
4: Ein Diagramm zur Darstellung der gemessenen Amplitudenhöhe der Temperatursensoren im Kühlmittel nach den Heizelementen über der Frequenz der Heizleistung bei einem exemplarischen Kühlmitteldurchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute).
5: Eine schematische Darstellung eines beispielhaften Schaltkreises zur Beschaltung der Temperatursensoren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung zur Messung von Energiestrahlung 10. Dabei sind in einer Kühlvorrichtung 20 ein erstes Heizelement 41, ein Absorber 11 zum Auffangen der Energiestrahlung 10 und drei Temperatursensoren 31, 32, 33 angeordnet. Eine Steuereinheit 40 dient zur Ansteuerung des ersten Heizelements 41. Eine Auswerteeinheit 50 erfasst die Signale der drei Temperatursensoren 31, 32 und 33.
2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind in der Kühlvorrichtung 20 ein erstes Heizelement 41 und eine zweites Heizelement 42, ein Absorber 11 und vier Temperatursensoren 31, 32, 33, 34 angeordnet. Die Steuereinheit 40 steuert die beiden Heizelemente 41 und 42. Mit der Auswerteinheit 50 können die Signale aller vier Temperatursensoren 31, 32, 33 und 34 erfasst werden.
In 3 ist eine mögliche Ansteuerung der Heizelemente 41, 42 in einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 schematisch dargestellt. Die Heizleistung beider Heizelemente 41, 42 hat einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf, der in der 3 gestrichelt eingezeichnet ist. Der sinusförmige Verlauf wird näherungsweise erzeugt durch eine Pulsweiten-modulierte Ansteuerung (durchgezogene Rechteck-Kurven) der Heizelemente 41, 42.
4 zeigt exemplarisch ein Messergebnis der gemessenen Amplitudenhöhe der Signaldifferenz zwischen den Temperatursensoren im Kühlmittel 21 vor und nach den Heizelementen 41, 42. Der Kühlmitteldurchfluss betrug dabei konstant 5 l/min (Liter pro Minute). Variiert wurde die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42, d. h. die Frequenz des sinusförmigen Verlaufs bzw. der Modulation der Heizleistung der Heizelemente 41, 42.
In 5 ist ein beispielhafter Sensorschaltkreis zur Beschaltung der Temperatursensoren 31, 32, 33, 34 schematisch dargestellt. Als Temperatursensoren werden hier zum Beispiel Pt100 Platinwiderstände eingesetzt. In Reihe mit jedem Temperatursensor 31, 32, 33, 34 ist jeweils ein Vorwiderstand R₁, R₂, R₃, R₄ geschaltet. Die Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor sind parallel geschaltet und werden von einer Referenzspannung U_Ref versorgt. An den Knotenpunkten zwischen Vorwiderständen und Temperaturfühlern können die Signalspannungen der jeweiligen Temperatursensoren abgegriffen werden. Jeweils zwei Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor bilden eine Brückenschaltung, so dass zwischen den beiden Knotenpunkten direkt die Signaldifferenz zwischen zwei Temperatursensoren abgegriffen werden kann. Die Signaldifferenzen können dann mittels Operationsverstärker verstärkt werden und anschließend mittels AD-(Analog-Digital-)Wandler in diskrete Werte umgesetzt werden. Aus diesen Signaldifferenzen können die Temperaturdifferenzen bestimmt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass bei der kalorimetrischen Messung der Leistung von Energiestrahlung die bekannten Vorrichtungen zur Durchflussbestimmung des Kühlmittels eine geringe Messgenauigkeit sowie eine begrenzte Lebensdauer und Zuverlässigkeit aufweisen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem sowohl die Strahlungsleistung als auch der Kühlmitteldurchfluss auf kalorimetrische Weise bestimmt werden.
Die Energiestrahlung 10 wird mit einen Absorber 11 aufgefangen, der mit einem Kühlmittel 21 gekühlt wird. Das Kühlmittel 21 wird mit mindestens einem Heizelement 41 geheizt. Dabei werden das Heizelement 41 und der Absorber 11 nacheinander vom Kühlmittel 21 durchströmt. An einer Position, die sich in Strömungsrichtung des Kühlmittels 21 vor dem Heizelement 41 und dem Absorber 11 befindet, wird ein erstes Signal in Abhängigkeit einer ersten Temperatur T₁ des Kühlmittels 21 erzeugt. Dazu befindet sich vor dem Heizelement 41 und dem Absorber 11 ein erster Temperatursensor 31. Zwischen dem Heizelement 41 und dem Absorber 11 ist ein zweiter Temperatursensor 32 angeordnet, mit dem ein zweites Signal erzeugt wird in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur T₂ des Kühlmittels zwischen dem Heizelement 41 und dem Absorber 11. Ein dritter Temperatursensor 33 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels 21 nach dem Heizelement 41 und dem Absorber 11 angeordnet. Mit dem dritten Temperatursensor 33 wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur T₃ des Kühlmittels 21 nach dem Heizelement 41 und dem Absorber 11.
Mit der Auswerteeinheit 50 wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Dieses erste Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₂ – T₁ des Kühlmittels 21 vor und nach dem Heizelement 41. Ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal wird mit der Auswerteeinheit 50 erfasst. Das zweite Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₃ – T₂ des Kühlmittels 21 vor und nach dem Absorber 11. Eine Heizleistung P_H1 des Heizelements 41 wird erfasst durch Messung von Strom und Spannung am Heizelement 41. Die Leistung P_Strahl der Energiestrahlung 10 wird in der Auswerteeinheit 50 unter Verwendung der erfassten Differenzsignale und der Heizleistung des Heizelements 41 berechnet.
Die Leistung des Energiestrahls 10 resultiert aus folgender Relation: P_Strahl = (T₃ – T₂)(1/α_Ab)c(T)ρ(T)dV/dt [Formel 2]
Dabei bedeuten:

P_Strahl:: Leistung der Energiestrahlung (z.B. eines Laserstrahls)
α_Ab:: Absorptionsgrad des Absorbers
T₂:: Temperatur des Kühlmittels vor dem Absorber
T₃:: Temperatur des Kühlmittels nach dem Absorber
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels
ρ(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Kühlmittels
dV/dt:: Volumendurchfluss des Kühlmittels pro Zeit

Die Heizleistung P_H1 des Heizelements 41 bestimmt in dieser Konfiguration des Verfahrens die Temperaturdifferenz T₂ – T₁ vor und nach dem Heizelement 41 gemäß folgender Relation: P_H1 = (T₂ – T₁)c(T)ρ(T)dV/dt [Formel 3]
Dabei bedeuten:

P_H1:: Heizleistung des Heizelements
T₁:: Temperatur des Kühlmittels vor dem Heizelement
T₂:: Temperatur des Kühlmittels nach dem Heizelement (und vor dem Absorber)

Aus Formel 3 ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der kalorimetrischen Messung am Heizelement 41 nicht lediglich der Volumendurchfluss dV/dt des Kühlmittels 21 bestimmt wird, wie dies bei den herkömmlichen Durchflussmessgeräten der Fall ist. Es wird vielmehr direkt der Wärmemengendurchfluss bzw. der „wärmekapazitive” Volumendurchfluss
des Kühlmittels 21 bestimmt.
Aus Formel 2 und 3 erhält man die gewünschte Leistung des Energiestrahls 10 gemäß der folgenden Relation: P_Strahl = P_H1(1/α_Ab)(T₃ – T₂)/(T₂ – T₁) [Formel 4]
Bei diesem Verfahren werden also fast alle Einflussgrößen durch die Messung von Temperaturen bestimmt. Da eine Temperaturmessung mit sehr hoher Genauigkeit möglich ist, wird mit diesem Verfahren eine hohe Gesamtgenauigkeit erreicht.
Eine Vorrichtung zur Messung der Leistung der Energiestrahlung 10 entsprechend dem oben erläuterten Verfahren mit einem Heizelement 41 ist in 1 schematisch dargestellt.
Das Verfahren kann durch die in den Unteransprüchen definierten Merkmale noch weiter verbessert werden.
Es ist vorgesehen, dass die Heizleistung des Heizelements 41 von einer Steuereinheit 40 moduliert, d. h. zeitabhängig geändert werden kann. Die Heizleistung durchläuft einen Leistungsmodulationszyklus zwischen Null und einer maximalen Heizleistung. Die Heizleistung des Heizelements 41 ist also in wiederholten zeitlichen Abständen kurzzeitig Null. Bei der Heizleistung Null (d. h. bei quasi abgeschaltetem Heizelement) ist die in das Kühlmittel 21 eingebrachte Wärmemenge Null und damit auch die Temperaturdifferenz vor und nach dem Heizelement 41. Zu diesem Zeitpunkt kann somit aus dem ersten Differenzsignal ein Offset-Fehler bestimmt und eliminiert werden.
Allerdings kann zum Zeitpunkt mit der Heizleistung Null Formel 4 nicht ausgewertet werden, d. h. die Messung ist kurzzeitig unterbrochen.
Es ist eine weitere Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, bei dem das Kühlmittel 21 zusätzlich mit einem zweiten Heizelement 42 geheizt wird. Eine solche Vorrichtung mit zwei Heizelementen 41, 42 ist in 2 schematisch dargestellt. Das zweite Heizelement 42 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels 21 nach dem ersten Heizelement 41 angeordnet. Das zweite Heizelement 42 durchlauft ebenfalls einen Leistungsmodulationszyklus. Dabei ist der zeitliche Verlauf der Heizleistung P_H2 am zweiten Heizelement 42 versetzt gegenüber dem Verlauf der Heizleistung P_H1 am ersten Heizelement 41. Ein vierter Temperatursensor 34 ist zwischen dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 angeordnet. Mit dem vierten Temperatursensor 34 wird ein viertes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer vierten Temperatur T₄ des Kühlmittels 21 zwischen dem ersten Heizelement 41 und dem zweiter Heizelement 42.
Das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal kann in dieser Ausführungsform des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gebildet werden aus der Summe zweier Teil-Differenzsignale, die von der Auswerteeinheit 50 erfasst werden. Das eine Teil-Differenzsignal wird gebildet aus der Differenz zwischen dem vierten Signal und dem ersten Signal; das eine Teil-Differenzsignal ist also ein Maß für die Temperaturdifferenz T₄ – T₁ des Kühlmittels 21 vor und nach dem ersten Heizelement 41. Das andere Teil-Differenzsignal wird gebildet aus der Differenz zwischen dem zweiten Signal und dem vierten Signal; das andere Teil-Differenzsignal ist somit ein Maß für die Temperaturdifferenz T₂ – T₄ des Kühlmittels 21 vor und nach dem zweiten Heizelement 42. Die Summe der beiden Teil-Differenzsignale ist folglich ein Maß für die Temperaturdifferenz (T₂ – T₄) + (T₄ – T₁) = T₂ – T₁ des Kühlmittels 21 vor und nach beiden Heizelementen 41, 42.
Die in das Kühlmittel 21 eingebrachte Heizleistung wird in dieser Ausführungsform vorgegeben durch die Summe aus der Heizleistung P_H1 des ersten Heizelements 41 und der Heizleistung P_H2 des zweiten Heizelements 42.
Die Relation zur Berechnung der Leistung P_Strahl der Energiestrahlung 10 ist demnach wie folgt zu modifizieren: P_Strahl = (P_H1 + P_H2)(1/α_Ab)(T₃ – T₂)/(T₂ – T₁) [Formel 4a]
Ein Verfahren zur Messung der Leistung der Energiestrahlung 10 mit zwei Heizelementen 41, 42 kann folgendermaßen ausgeführt werden. Beide Heizelemente 41, 42 durchlaufen einen Leistungsmodulationszyklus, d. h. die Heizleistung wird periodisch geändert. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Pulsweitenmodulation (PWM). Mittels der Pulsweiten-modulierten Ansteuerung wird die Heizleistung in Form einer Sinusfunktion moduliert. Die Variation der Heizleistung erfolgt also mit der Frequenz der Sinusfunktion, die im Folgenden als Heizfrequenz bezeichnet wird. Die Pulsweiten-modulierte Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 ist schematisch in 3 dargestellt. Im Maximum der Ansteuerung wird das erste Heizelement 41 mit maximaler Leistung betrieben, während das zweite Heizelement 42 ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt der Ansteuerung im Minimum (d. h. Heizleistung Null) am ersten Heizelement 41 ist die Heizleistung maximal am zweiten Heizelement 42.
Die in das Kühlmittel 21 (beispielsweise Wasser) eingebrachte Heizleistung führt lokal zu einer Temperaturerhöhung, die mit der Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers 21 entlang der Rohrleitung der Kühlvorrichtung 20 transportiert wird. An den Messpunkten vor, zwischen und nach den Heizelementen 41, 42 und dem Absorber 11 befinden sich Pt100-Platinwiderstände als Temperatursensoren 31, 32, 33 und 34, welche die lokalen Temperaturen und deren Schwankungen im Kühlmittel 21 registrieren. Die Änderung eines jeden temperaturabhängigen Pt100-Widerstands aufgrund der Temperaturvariationen im Kühlmittel wird über eine Messbrücke in Form einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Pt100-Widerständen gemessen (Relativmessung). Über AD-(Analog-Digital-)Wandler werden die analogen Spannungswerte digitalisiert; diese AD-Counts werden als Messwerte aufgezeichnet.
Es ist vorgesehen, im analogen Schaltungsbereich die Spannungsdifferenz zwischen den Temperatursensoren 31, 32, 33, 34 zu bilden bzw. zu erfassen. Dadurch werden die Offsetspannungen der Temperatursensoren eliminiert, die damit nicht digitalisiert werden müssen. Der mögliche Spannungshub von 1,25 V der AD-Wandler kann erheblich besser genutzt werden, indem die Differenzspannung zunächst mit rauscharmen Operationsverstärkern verstärkt wird, und anschließend die verstärkte Differenzspannung mittels AD-Wandler digitalisiert wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dadurch verbessert werden. Operationsverstärker weisen jedoch eine gewisse Drift bzw. zeitliche Veränderung der Eingangs-Offsetspannungen auf, vereinfacht als Nullpunkt-Drift bezeichnet. Deshalb ist es vorgesehen, den Nullpunkt der Operationsverstärker regelmäßig neu zu kalibrieren. Dies kann durch Abschalten der Heizelemente 41, 42 und Messung des Nullpunkts erfolgen.
Exemplarisch wurde in einer Messvorrichtung ein Kühlmittel-Durchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute) eingestellt. Dabei wurden Messungen bei verschiedenen Heizfrequenzen im Bereich von 0,001 Hz bis 10 Hz durchgeführt. Hieraus resultiert das in 4 gezeigte Bode-Diagramm, das die rechnerisch ermittelte Amplitudenhöhe (d. h. die Amplitudenhöhe der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) der Counts eines AD-Wandlers in Beziehung zur eingestellten Heizfrequenz setzt. Die Grenzfrequenz, d. h. der Übergang zwischen Potenzabhängigkeit und linearem Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Amplitudenhöhe und dem Logarithmus der Heizfrequenz, beträgt ungefähr 0,5 Hz. Bei mittleren Heizfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz wird das Verhältnis zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz in der doppelt-logarithmischen Darstellung des Bode-Diagramms ungefähr linear. Die Amplitudenhöhe fällt mit weiter steigender Frequenz deutlich schneller ab.
Aus dem ermittelten Zusammenhang zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz können verschiedene Auswertungsmethoden für das erfindungsgemäße Messverfahren abgeleitet werden.
Eine mögliche Form der Auswertung ist eine Amplituden-Methode. Dabei wird im niederfrequenten Bereich des dargestellten Bode-Diagramms bei einer fest eingestellten Heizfrequenz die Amplitudenhöhe betrachtet. Diese Amplitudenhöhe wird direkt einem fest eingestellten Kühlmittel-Durchfluss zugeordnet. Anhand mehrerer verschiedener Kühlmittel-Durchflüsse kann eine Kennlinie aufgenommen werden. Hier wurde eine 1/x (d. h. reziproke) Abhängigkeit der Amplitudenhöhe vom Kühlmittel-Durchfluss nachgewiesen.
Eine weitere mögliche Auswertung ist eine Phasendifferenz-(Δϕ-)Methode. Direkt oberhalb der Grenzfrequenz, also bei Heizfrequenzen größer als die Grenzfrequenz, ist der Verlust an Amplitude noch vergleichsweise gering. Hier wird die Phasenverschiebung in einem Bereich von 0–90° relativ zur Phasenlage der Heizleistungs-Ansteuerungsfunktion gemessen. Die Phasenverschiebung ist hierbei umgekehrt proportional korreliert zur Durchflussgeschwindigkeit des Kühlwassers in der Messstrecke bei definiertem Querschnitt der Rohrleitung.
Eine kontinuierliche Messung kann erfolgen durch Betrachtung und Auswertung der eingebrachten elektrischen Gesamt-Heizleistung in das Kühlmittel 21. Dabei wird eine konstante Heizleistung auf der Messstrecke aufrechterhalten und die gemessenen Amplituden (genauer: die Amplituden der Differenzsignale der Temperatursensoren) hinter beiden Heizelementen 41, 42 werden addiert. Die kontinuierliche periodische Verlagerung der Anteile an der Gesamtheizleistung zwischen beiden Heizelementen 41, 42 ermöglicht den Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen zwischen den Heizwiderständen der beiden Heizelemente 41, 42. Das Einbringen einer konstanten Heizleistung in das Kühlmittel 21 resultiert über die Wärmekapazität des Kühlmittels 21 in einer Temperaturerhöhung des Kühlmittels 21. Im letzten Abschnitt der Messstrecke kann somit die durch einen Absorber 11 eingebrachte Wärmemenge über die daraus folgende Temperaturerhöhung direkt in eine Strahlungsleistung zurückgerechnet werden, die auf den Absorber eingestrahlt wird. Dazu kann auch eine Modellierung der Wärmeleitungsprozesse im und am Absorber 11 durchgeführt werden.
Weiterhin kann eine Kompensation von Temperaturschwankungen des Kühlmittels 21 im Bereich des Kühlmitteleinlass 22 mittels Nullpunkt-Kalibrierung vorgenommen werden. Dazu werden die absoluten Temperaturschwankungen im Kühlwassereinlauf gemessen. Mit einem mathematischen Modell wird die Amplitudenänderung kompensiert, die ausschließlich auf fluktuierende Temperaturänderungen im Kühlmittelkreislauf zurückzuführen ist.
Im Folgenden werden weitere mögliche Merkmale und Einzelheiten weiterer Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die Kühlvorrichtung 20 kann beispielsweise eine Rohrleitung sein, durch die ein Kühlmittel 21 strömt. Das eine Ende der Kühlvorrichtung 20 ist mit einem Kühlmitteleinlass 22 ausgestattet, am anderen Ende der Kühlvorrichtung 20 befindet sich ein Kühlmittelauslass 23. Die Rohrleitung der Kühlvorrichtung 20 kann in mehrere Abschnitte aufgeteilt sein.
Die Kühlvorrichtung 20 kann Bestandteil eines offenen oder eines geschlossenen Kühlkreislaufs sein. Bei einem geschlossenen Kühlkreislauf kann das Kühlmittel 21 nach dem Kühlmittelauslass 23 durch eine Pumpe und einen Wärmetauscher geführt werden und dann wieder dem Kühlmitteleinlass 22 zugeführt werden. Die Kühlvorrichtung 20 kann auch in den Kühlkreislauf eines externen Geräts, zum Beispiel einer Laserquelle, eingeschaltet werden. In diesem Fall befinden sich Pumpe und Wärmetauscher im Kühlkreislauf des externen Geräts.
Die Temperatursensoren 31, 32, 33, 34 können temperaturempfindliche Widerstände wie zum Beispiel Platinwiderstände vom Typ Pt100 oder Pt1000 sein. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Platinwiderständen. Es können auch beliebige andere Temperatursensoren wie beispielsweise Halbleiter-Temperaturfühler verwendet werden.
Es ist vorgesehen, dass die Heizelemente 41, 42 elektrisch betriebene Heizwiderstände beinhalten. Die momentane Heizleistung ergibt sich dann als Produkt aus der am Heizwiderstand anliegenden Spannung und dem durch den Heizwiderstand fließenden Strom. Als Heizelemente 41, 42 können zum Beispiel handelsübliche Heizpatronen zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden.
Der zeitliche Verlauf der Heizleistung an den beiden Heizelementen 41, 42 kann sinusförmig sein. Es können auch andere periodische Funktionen zur Steuerung der Heizleistung verwendet werden, beispielsweise Dreieck-Funktionen, Rechteckfunktionen, Trapezfunktionen oder andere Funktionen ähnlicher Art.
Es ist vorgesehen, dass die Funktion, die den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 abbildet, eine Funktion ist, die sich durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführen lässt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einer zeitlich versetzten Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 die Summe der Heizleistungen der beiden Heizelemente 41, 42 zeitlich konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf der Heizleistung beispielsweise sinusförmig, dann wird durch eine um 180° verschobene Heizleistung am zweiten Heizelement 42 gegenüber dem ersten Heizelement 41 eine zeitlich konstante Summe der Heizleistungen erreicht.
Wenn die Heizelemente 41, 42 mit einer symmetrischen sinusförmigen elektrischen Spannung oder einem symmetrischen sinusförmigen Strom betrieben werden, dann ist zum Erzielen einer konstanten Summe der Heizleistung eine Phasenverschiebung um 90° zwischen der Spannung (bzw. Strom) am ersten Heizelement 41 und der Spannung (bzw. Strom) am zweiten Heizelement 42 erforderlich.
Es ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements 41 oder des ersten Heizelements 41 und des zweiten Heizelements 42 mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren zu steuern. Die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation (PWM-Taktfrequenz) kann wesentlich höher sein als die Frequenz des durch die Pulsweitenmodulation modulierten Verlaufs der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 (Heiz-Frequenz). Die PWM-Taktfrequenz kann beispielsweise im Bereich 1 kHz bis 100 kHz liegen. Die Heiz-Frequenz kann beispielsweise im Bereich 0,001 Hz bis 10 Hz liegen.
Die Steuereinheit 40 kann mit einem Umschalter ausgestattet sein, mit dem eine konstante elektrische Spannung oder ein konstanter Strom zwischen den beiden Heizelementen 41, 42 hin und her geschaltet werden kann. Der Umschalter kann aus Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Triacs, FETs, MOSFETs oder IGBTs bestehen. Der Umschalter kann durch Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden.
Die Umschaltfunktion zwischen den Heizelementen 41, 42 kann den Vorteil haben, dass zur Erfassung der Heizleistung eine einzelne gemeinsame elektrische Leistungsmessung eingesetzt werden kann, die mit einer geringen Geschwindigkeit bzw. mit einer niedrigen Erfassungsrate auskommt, da die Gesamtleistung zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Ebenso ist die Gesamtspannung als auch der Gesamtstrom konstant. Der Stromfluss wird dabei während des Umschaltens höchstens für wenige 10 ns unterbrochen. Der Umschaltvorgang selbst kann mit LC-Gliedern gedämpft werden, sodass er keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Die Umschaltfunktion kann auch den Vorteil haben, dass darauf verzichtet werden kann, für jeden Zweig (d. h. für jede der beiden Heizelemente 41, 42) eine separate Leistungsmessung einzusetzen. Würde für jeden Zweig eine eigene Leistungsmessung eingesetzt werden, dann müssten dies separaten Leistungsmessungen zum einen auch mit Scheitelwertfaktoren (bzw. Crest-Faktoren) umgehen können. Die dazu benötigten Schaltkreise sind aufwändiger und dadurch kostenintensiver und weisen eine geringere Genauigkeit auf. Zum anderen müssen diese separaten Leistungsmessungen dann auch deutlich schneller als die PWM-Taktfrequenz abtasten. Dies hätte wiederum einen nachteiligen Einfluss auf die Auflösung. Die höchsten Auflösungen erreicht man zurzeit bei Abtastfrequenzen von 6 Hz (200 nV Rauschen). Aufgrund der thermischen Geschwindigkeit der Temperatursensoren kann es erforderlich sein, dass die PWM-Taktfrequenz im Bereich von 100 Hz oder auch im Bereich von 1 kHz liegt. Die Abtastfrequenz für die Leistungsmessung müsste dann in diesem Fall bei mindestens 10 kHz liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen die nachfolgend benannten Vorteile auf:

• Es werden keine beweglichen mechanischen Bauteile zur Durchflussmessung in der Kühlvorrichtung verwendet. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und eine hohe Zuverlässigkeit des Verfahrens.
• Durch das Verfahren werden Schwankungen des Kühlmitteldurchflusses und der Wärmekapazität des Kühlmittels kompensiert; diese Schwankungen reduzieren daher nicht die Genauigkeit der Messung.
• Als direkte Messgrößen gehen im wesentlichen die Temperaturen des Kühlmittels an verschiedenen Messpunkten in die Berechnung der Strahlungsleistung ein. Temperaturen können bei Verwendung geeigneter Sensoren und einer geeigneten Auswerteschaltung mit sehr hoher relativer Genauigkeit gemessen werden. Das Verfahren bietet daher eine besonders hohe Messgenauigkeit.

Die Genauigkeit des Verfahrens kann auch durch eine geeignete Wahl der Heizleistung optimiert werden. Dies wird nachfolgend durch Dimensionierungsbeispiele erläutert.
Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es günstig, wenn die Temperaturdifferenzen möglichst hoch sind. Andererseits darf die Temperatur des Kühlmittels nicht zu groß werden. Bei einem auf Wasser basierenden Kühlmittel sollte die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmittelauslass deutlich unter 100°C liegen. Die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleinlass liegt meist im Bereich der Umgebungstemperatur, also typischerweise um 25°C. Daher sollten die größten auftretenden Temperaturdifferenzen im Kühlmittel nicht größer sein als einige 10 K (Kelvin).
Bei der Messung relativ geringer Leistungen kann es günstig sein, wenn die Heizleistung etwa im Bereich der zu messenden Strahlleistung liegt oder darüber. Bei der Messung hoher Leistungen hingegen würde dies zu unpraktikabel hohen Heizleistungen und einem sehr hohen Stromverbrauch führen.
Die Heizleistung kann beispielsweise im Bereich von bis zu 100 W liegen.
Wenn eine Strahlleistung in der Größenordnung von etwa 10 kW gemessen werden soll, dann ist dazu ein Kühlmitteldurchfluss von mindestens etwa 5 l/min (Liter pro Minute) erforderlich. Die Temperaturdifferenz am Absorber bei Wasser-Kühlung würde dann etwa 30 K betragen. Bei einer Heizleistung von 100 W ergibt sich damit eine Temperaturdifferenz von etwa 0,3 K an den Heizelementen 41, 42. Bei Verwendung von Platinwiderständen als Temperatursensoren und einer geeigneten Rausch- und Offset-armen Signalverarbeitung bzw. einer Signalwandlung mit hoher Auflösung (z.B. mit 24 bit Auflösung) liegt die Messunsicherheit der Temperatur im Bereich von etwa 100 μK oder weniger. Damit ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit für das Verfahren, mit einem Messfehler, der etwa in der Größenordnung von 0,1% oder darunter liegt.
Eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass aus der Temperaturdifferenz des Kühlmittels 21 vor und nach den Heizelementen 41, 42 und der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 der Volumendurchfluss des Kühlmittels 21 ermittelt wird.
Es ist auch vorgesehen, die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Kühlmittels 21 bei der Bestimmung der Leistung des Energiestrahls 10 zu berücksichtigen. Dazu kann eine Funktion für die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Kühlmittels 21 (beispielsweise von Wasser) in einem Speicher der Auswerteeinheit 50 hinterlegt werden. Die gemessenen Temperaturdifferenzen können verwendet werden, um eine Stützstelle für die Funktion der Wärmekapazität zu finden. Die Wärmekapazität üblicher Kühlmittel wie zum Beispiel von Wasser variiert nicht unerheblich mit der Temperatur. Mit der Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit kann daher die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden.
Der Volumendurchfluss des Kühlmittels 21 kann auch näherungsweise bestimmt werden aus der thermischen Dissipation einer Wärmemenge, die durch den Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels 21 durch die Kühlvorrichtung 20 bzw. beim Strömen durch Rohrleitungsabschnitte der Kühlvorrichtung 20 erzeugt wird. Der Druckverlust beim Strömen erzeugt Wärme, die direkt gemessen werden kann. Dazu können vor dem Heizen des Kühlmittels 21, d. h. bevor die Heizelemente 41, 42 eingeschaltet werden, die Differenzsignale der Temperatursensoren erfasst werden und gespeichert werden. Daraus kann die durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels 21 erzeugte Wärmemenge bestimmt werden.
Diese Druckverlust-Wärmemenge bzw. durch Strömung erzeugte Abwärme kann sich bei hohen Kühlmittel-Durchflüssen in einer Größenordnung von bis zu 30 W–100 W (Watt) befinden.
Es ist daher auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die berechnete Leistung der Energiestrahlung 10 um die durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels 21 erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.
Mit der Bestimmung der Druckverlust-Wärmemenge kann man auch vor dem ersten Einschalten der Heizelemente 41, 42 prüfen, ob überhaupt ein Kühlmittel-Durchfluss vorhanden ist. Dies ist zumindest ein Indikator, da es auch passieren könnte, dass kein Kühlmittel 21 in der Kühlvorrichtung 20 vorhanden ist und nur die gleiche Lufttemperatur gemessen wird.
Um zu erkennen, ob die Rohrleitungen der Kühlvorrichtung 20 mit Kühlmittel 21 gefüllt sind und das Kühlmittel 21 strömt, ist es vorgesehen, einen kurzen Heiz-Puls auf die Heizelemente 41, 42 zu geben und zu registrieren, ob die Temperatur des Kühlmittels 21 sich wie erwartet verändert.
Es ist auch vorgesehen, dass die Auswerteeinheit 50 ein Warnsignal ausgibt, wenn der ermittelte Volumendurchfluss des Kühlmittels 21 einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet und somit die Gefahr der Überhitzung des Absorbers 11 besteht. Das Warnsignal kann ein elektrisches Signal sein, ein akustisches Signal, ein optisches Signal oder das Öffnen eines Schalters. Ein Warnsignal im Form des Öffnens eines Schalters kann verwendet werden, um einen Sicherheitsschaltkreis (sogenannter Interlock) einer Strahlquelle auszulösen.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die maximale Heizleistung der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Die Heizleistung kann beispielsweise so angepasst werden, dass die Temperaturdifferenz vor und nach den Heizelementen 41, 42 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 K (Kelvin) bis 10 K liegt. Die maximale Heizleistung kann auch angepasst werden in Abhängigkeit des Kühlmitteldurchflusses.
Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Heizfrequenz in Abhängigkeit des Kühlmitteldurchflusses verändert werden.
Bezugszeichenliste

10: Energiestrahlung
11: Absorber
20: Kühlvorrichtung
21: Kühlmittel
22: Kühlmitteleinlass
23: Kühlmittelauslass
31: Erster Temperatursensor
32: Zweiter Temperatursensor
33: Dritter Temperatursensor
34: Vierter Temperatursensor
40: Steuereinheit
41: Erstes Heizelement
42: Zweites Heizelement
50: Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zur Messung der Leistung von Energiestrahlung (10), umfassend die Verfahrensschritte: • Auffangen der Energiestrahlung (10) mit einen Absorber (11), • Kühlen des Absorbers (11) mit einem Kühlmittel (21), • Heizen des Kühlmittels (21) mit mindestens einem Heizelement (41), wobei das Kühlmittel (21) das Heizelement (41) und den Absorber (11) nacheinander durchströmt, • Erzeugen eines ersten Signals in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Kühlmittels (21) an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels (21) vor dem Heizelement (41) und dem Absorber (11), • Erzeugen eines zweiten Signals in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Kühlmittels (21) an einer Position zwischen dem Heizelement (41) und dem Absorber (11), • Erzeugen eines dritten Signals in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Kühlmittels (21) an einer Position in Strömungsrichtung des Kühlmittels (21) nach dem Heizelement (41) und dem Absorber (11), • Erfassen eines ersten Differenzsignals zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal, • Erfassen eines zweiten Differenzsignals zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal, • Erfassen einer Heizleistung des Heizelements (41), und • Berechnen der Leistung der Energiestrahlung (10) unter Verwendung der erfassten Differenzsignale und der Heizleistung des Heizelements (41).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizleistung des Heizelements (41) zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Modulation der Heizleistung durch Pulsweitenmodulation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kühlmittel (21) weiterhin mit einem zweiten Heizelement (42) geheizt wird, und wobei ein viertes Signal in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Kühlmittels (21) an einer Position zwischen dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Heizleistung des ersten Heizelements (41) und die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Heizleistung des ersten Heizelements (41) maximal ist an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) Null ist, und wobei die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) maximal ist an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements (41) Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) zeitlich konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei vor dem Heizen des Mediums (21) das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst wird und eine durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels (21) erzeugte Wärmemenge bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die berechnete Leistung der Energiestrahlung (10) um die durch Druckverlust beim Strömen des Kühlmittels (21) erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.
Vorrichtung zur Messung der Leistung von Energiestrahlung (10), umfassend • einen Absorber (11), der zur Absorption der Energiestrahlung (10) ausgebildet ist, • eine Kühlvorrichtung (20) mit einem Kühlmittel (21), wobei das Kühlmittel (21) den Absorber (11) durchströmt, • mindestens ein Heizelement (41), das zum Heizen des Kühlmittels (21) ausgebildet ist, und wobei das Kühlmittel (21) in der Kühlvorrichtung (20) das mindestens eine Heizelement (41) und den Absorber (11) nacheinander durchströmt, • eine Steuereinheit (40), die zur Steuerung einer Heizleistung des Heizelementes (41) ausgebildet ist, • einen ersten Temperatursensor (31), der in Strömungsrichtung des Kühlmittels (21) vor dem Heizelement (41) und dem Absorber (11) in der Kühlvorrichtung (20) angeordnet ist, • einen zweiten Temperatursensor (32), der zwischen dem Heizelement (41) und dem Absorber (11) in der Kühlvorrichtung (20) angeordnet ist, • einen dritten Temperatursensor (33), der in Strömungsrichtung des Kühlmittels (21) nach dem Heizelement (41) und dem Absorber (11) in der Kühlvorrichtung (20) angeordnet ist, und • eine Auswerteeinheit (50), die ausgebildet ist zum Erfassen und Auswerten der Signale der Temperatursensoren (31, 32, 33).
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, die Heizleistung des Heizelements (41) zwischen Null und einer maximalen Heizleistung zu modulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, die Heizleistung des Heizelements (41) durch Pulsweitenmodulation zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein zweites Heizelement (42) in Strömungsrichtung des Kühlmittels (21) nach dem ersten Heizelement (41) in der Kühlvorrichtung (20) angeordnet ist und wobei ein vierter Temperatursensor (34) zwischen dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42) in der Kühlvorrichtung (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, die Heizleistung des ersten Heizelements (41) und die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung zu modulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Heizleistung des ersten Heizelements (41) maximal ist an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) Null ist, und wobei die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) maximal ist an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements (41) Null ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) abwechselnd ein- und auszuschalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) durch Pulsweitenmodulation zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) zeitlich konstant ist.