DE10253905A1

DE10253905A1 - Instrument zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung und damit verbundenes Verfahren

Info

Publication number: DE10253905A1
Application number: DE10253905A
Authority: DE
Inventors: Luigi Argenti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2003-06-05
Also published as: ITMI20012475A1; US20030099276A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen der Leistung der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung, das eine Absorptionsmasse bekannter Wärmekapazität enthält, welche mit einem Haltekörper verbunden ist. Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß sie Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur der Absorptionsmasse umfaßt, welche von einer Laserstrahlung getroffen wird, deren Leistung zu erfassen ist. Die Meßzeit ist erheblich kürzer als die thermische Zeitkonstante der Absorptionsmasse. Die Erfassungsmittel sind mit einer zentralen Einheit zur Datenverarbeitung und zur Berechnung der Leistung, die auf einer Anzeige dargestellt werden kann, verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen der Leistung, die von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegeben wird.
Bekanntlich steigt die Verbreitung von Lasersystemen, die über ihren typischen Anwendungsbereich in Telekommunikationssystemen hinaus häufig in der Festkörpertechnik und der Metalltechnik im allgemeinen sowie in der Kraftfahrzeugproduktion eingesetzt werden, insbesondere dort, wo Laser zum Schneiden und Formen der Bleche und zum Verschweißen der einzelnen Bauteile eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
Die industriellen Prozesse des Schneidens und Schweißens, die Laser verwenden, sind dank ihrer beachtlichen Effizienz völlig automatisiert.
Es ist festzustellen, daß die Effizienz, die Gültigkeit und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse eng mit der Überwachung und der Stabilität der Prozeßparameter verbunden sind, wobei der von dem Laser abgegebenen Leistung besondere Bedeutung zukommt.
Zur Zeit werden zur Überwachung der Leistung der von dem Laser abgegebenen Strahlung gewöhnlich zwei verschiedene Arten von Kalorimeter eingesetzt.
Ein erstes Kalorimeter mißt über eine Thermosäule den radialen Temperaturgradienten, der von dem Wärmefluß hervorgerufen wird, welcher von der auf einer Metallplatte absorbierten Strahlung erzeugt wird. Das Signal der Thermosäule ist direkt proportional zu der Leistung der von dem Laser abgegebenen Strahlung.
Mit dieser Art von Kalorimeter kann eine kontinuierliche Leistungsmessung mit einer zeitlichen Auflösung von einigen Sekunden und mit guter Präzision, ungefähr in der Größenordnung von 2%, durchgeführt werden.
Derartige Kalorimeter sind recht teuer, und zudem erfordert ihr Einsatz eine exakte und stabile Ausrichtung des Laserstrahls. Ihr Betrieb verlangt einen effizienten Wasser-Kühlkreislauf, weswegen der Einsatz derartiger Kalorimeter in der Industrie aufgrund von längeren Maschinenstandzeiten und übermäßig langen Vorbereitungszeiten schwierig ist.
Eine zweite Art von Instrument ist das sogenannte ballistische Kalorimeter, das aus einer Absorptionsmasse mit bekannter Wärmekapazität und einem einstückig mit der Absorptionsmasse ausgebildeten Bimetallthermometer besteht, das die Temperaturerhöhung mißt.
Das Messen der Leistung erfolgt, indem die Masse für einen genau definierten Zeitraum, z. B. 20 Sekunden, einer Laserstrahlung ausgesetzt wird. Die von der Masse erreichte Temperatur wird von dem Thermometer mittels einer speziellen Quadratskala registriert, die in Watt geeicht ist.
Mit derartigen Instrumenten kann der Mittelwert der Laserleistung über einen Zeitraum von 20 Sekunden ermittelt werden. Sie sind zweifellos wirtschaftlich, leicht und einfach in der Handhabung, haben jedoch eine begrenzte Dynamik und mittelmäßige Präzision.
Zudem besteht eine grundlegende Bedingung für ihren korrekten Einsatz darin, daß die Bestrahlungszeit mit einer Genauigkeit von mindestens 0,2 Sekunden gemessen wird. Darüber hinaus muß die Absorptionsmasse des Kalorimeters mit Wasser gekühlt werden, bevor eine nachfolgende Messung durchgeführt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen, indem ein Instrument zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung angegeben wird, das in der Lage ist, Präzision, Wirtschaftlichkeit und Einfachheit in sich zu vereinen, und zudem mit die Möglichkeit einer schnellen und bequemen Ablesung bietet.

Im Rahmen dieser Aufgabe ist ein Instrument anzugeben, das keine präzise Überwachung der Ausrichtung bezüglich der Laserquelle erfordert und das auch keine Überwachung der exakten Bestrahlungszeit seitens des Benutzers verlangt.

Ferner ist ein vollkommen elektronisches Instrument anzugeben, das auch in der Lage ist, die Abweichung oder Unsicherheit der durchgeführten Messung anzuzeigen.

Schließlich ist ein Instrument anzugeben, das aufgrund seiner besonderen Eigenschaften in der Lage ist, absolute Verläßlichkeit und Sicherheit beim Gebrauch zu gewährleisten, und das darüber hinaus, rein wirtschaftlich gesehen, wettbewerbsfähig ist.

Diese und andere Aufgaben, die im folgenden deutlicher werden, löst ein Instrument zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung, mit einer Absorptionsmasse bekannter Wärmekapazität, die mit einem Haltekörper verbunden ist. Das Instrument nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur der Absorptionsmasse enthält, die von einer Laserstrahlung getroffen wird, deren Leistung zu erfassen ist, wobei die Erfassungsmittel mit einer zentralen Einheit zur Datenverarbeitung und zur Berechnung der Leistung, die auf einer Anzeige dargestellt werden kann, verbunden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich größtenteils aus der ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Instruments zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung, das als nicht einschränkendes Beispiel in den beigefügten Figuren dargestellt wird, in denen zeigen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht des Instruments nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Detailansicht der Anzeige;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Temperaturerfassungskurve.
Wie in den Figuren dargestellt ist, umfaßt das erfindungsgemäße Instrument zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, eine Absorptionsmasse 2 bekannter Wärmekapazität, die mit einem Haltekörper 3 verbunden ist, der seinerseits einen Griffteil 4 und eine Anzeige 5 hat.
Das Instrument 1 umfaßt Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur, die vorzugsweise von einem ersten und einem zweiten Temperaturfühler 10 bzw. 11 gebildet sind, welche beispielsweise aus einem ersten Thermoelement 10 oder einer Thermosäule, das bzw. die in engem thermischen Kontakt mit dem Schwerpunkt der Absorptionsmasse 2 angeordnet ist, und einem zweiten Thermoelement 11 oder einer Thermosäule bestehen, das bzw. die im Inneren des Haltekörpers, z. B. im Inneren des Griffs 4 angeordnet ist.
Es ist auch möglich, den ersten und den zweiten Temperaturfühler an zwei voneinander beabstandeten Stellen an der Thermomasse anzuordnen. So kann beispielsweise ein Temperaturfühler in einem zentralen Bereich der Absorptionsmasse und der andere an einer radial beabstandeten Stelle angeordnet werden.
Ein derartiger Temperaturfühler dient zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur der Absorptionsmasse, das heißt, der Temperaturanstieg über einen extrem begrenzten Zeitraum wird erfaßt, wie im folgenden deutlicher wird.
Die beiden Thermoelemente 10 und 11, vorzugsweise Kupfer-Konstantan- und Konstantan-Kupfer-Thermoelemente, sind in Reihe miteinander verbunden und untereinander thermisch isoliert. Sie sind durch zwei Leiter miteinander verbunden, deren Durchmesser so bemessen ist, daß eine Ansprechzeit unter 1 Sekunde gewährleistet ist.
Die Thermosäule, die durch die beiden Thermoelemente gebildet wird, liefert in der praktischen Anwendung eine elektromotorische Kraft, die für ΔT linear ist, nämlich Temperaturschwankungen unter 150-200°Kelvin.
Ferner ist die Absorptionsmasse 2 derart bemessen, daß sich Temperatursprünge von ungefähr 100°K ergeben, die in der Praxis 4,2 mV entsprechen.
Die Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur sind wirkungsmäßig mit einem Mikroprozessor verbunden, der sowohl den Erfassungsalgorithmus zum Berechnen der Leistung als auch die Flüssigkristallanzeige 5 steuert, auf der ein erster Bereich 5a für den Wert der Leistung, ausgedrückt in Watt, und ein zweiter Bereich 5b für die Meßunsicherheit vorgesehen sind.
Ferner ist auf der Anzeige 5 eine Balkengrafik 5c vorgesehen, die das Temperaturniveau angibt, das die Absorptionsmasse während der Messung erreicht.
Schließlich ist ein Druckknopf 7 zum Betätigen und Zurücksetzen des Instruments vorhanden.
In der praktischen Anwendung ist zum Bestimmen des Werts der Leistung einer Laserquelle lediglich die Absorptionsmasse in den Laserstrahl zu halten und das akustische Signal eines piezoelektrischen Summers und/oder das Aufleuchten einer LED abzuwarten, der/die anzeigt, daß die Messung erfolgt ist und das Instrument von dem Laserstrahl weg bewegt werden kann.
In der Praxis steigt bei Bestrahlung mit dem Laserstrahl die Temperatur der Absorptionsmasse 2, und sobald ein vorbestimmter Schwellenwert erreicht ist, der gemäß Versuchen bei 1° Kelvin liegt, beginnt die Messung, und zwar nach einem Zeitraum von zirka 2 Sekunden nach dem Start, was die Thermalisierungszeit der Masse ist, nach der die Temperatur linear ansteigt, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt, in der auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Temperaturänderung in °K aufgetragen ist. Nach der Thermalisierungszeit beginnt die wirkliche Datennahme, während der über einen Zeitraum zwischen 2 und 10 Sekunden, vorzugsweise für 5 Sekunden, die Meßwerte genommen werden, die 50-100 sein können und anhand derer das Inkrementalverhältnis der zeitlichen Temperaturänderung berechnet wird, und zwar über eine lineare Regression, die mathematisch aussagefähiger ist als die Bildung des Mittelwertes und anschließend des Inkrementalverhältnisses. Durch dieses Rechensystem ist es möglich, Auflösungen zu erhalten, die besser als ein Promille sind.
In der Praxis erhält man einen Änderungskoeffizienten m, der durch die folgende Formel gegeben ist:
Dabei bezeichnet x die Zeit in Sekunden, y die Temperaturänderung, gemessen in K, und n die Anzahl der Messungen, anhand derer die Koeffizienten berechnet werden.
Darüber hinaus kann ein Korrelationskoeffizient r berechnet werden, durch den die Meßunsicherheit angegeben werden kann. Ein derartiger Korrelationskoeffizient kann gemäß der folgenden Formel erhalten werden:
Wenn die Messung durchgeführt wurde, zeigt die Anzeige die Leistung des Laserstrahls an, die praktisch m.C ist, wobei C die thermische Konstante der verwendeten Masse ist.
Am Ende der Datennahme leuchtet eine grüne LED für ungefähr 2 Sekunden auf, um anzuzeigen, daß die Messung beendet ist, und auf der Anzeige wird der Wert der gemessenen Leistung angezeigt, der vorteilhafterweise gespeichert und bis zu einer nächsten Zurücksetzung festgehalten wird, und zwar auch wenn das Instrument abgeschaltet ist.
Neben der letzten gemessenen Leistung kann das Instrument auch die Meßunsicherheit speichern und anzeigen.
Es sei darauf hingewiesen, daß vorstehend für die Datennahme eine Dauer von 5 Sekunden angegeben wurde. Selbstverständlich ist es aber möglich, andere, auch kürzere Zeiten zu verwenden, ebenso wie das Instrument zum Speichern verschiedener Massen und verschiedener Verstärkungen des Signals der Thermosäule eingestellt werden kann. Auch kann die Frequenz der Messung, der Wert ΔT für den Beginn der Messung und die Wartezeiten für die Thermalisierung variiert werden. Schließlich ist es möglich, charakteristische Erwärmungskurven der Absorptionsmasse einzufügen, falls diese nicht linear ist.
Auf der Anzeige ist die Skala 5c vorgesehen, die es erlaubt, die Überhitzung der Absorptionsmasse zu verhindern, die, wenn sie während der Durchführung einer Messung auftritt, dazu führt, daß auf der Anzeige ein Fehler angezeigt wird, oder, wenn sie am Ende der Messung auftritt, das Meßergebnis bereitstellt und ein Signal sichtbar macht, um anzuzeigen, daß das Instrument abgekühlt werden muß.
Was die Unsicherheit oder Abweichung der Messung betrifft, so kann diese experimentell zu der Quadratwurzel aus 1-r² abgeschätzt werden, berechnet nach der oben angegebenen Art und Weise.
Aus den vorstehenden Erläuterungen geht also hervor, daß die vorliegende Erfindung die genannten Aufgaben erfüllt. Insbesondere wird hervorgehoben, daß es, ausgehend von dem Konzept, die zeitlichen Veränderungen des Temperaturwerts der Absorptionsmasse zu verwenden, möglich ist, innerhalb kürzester Zeit eine Anzeige der Leistung der Laserquelle zu erhalten, ohne Einschränkungen durch die korrekte Ausrichtung des Erfassungselements auf den Laserstrahl und ohne kritische Erfassungszeiten beachten zu müssen.
Im speziellen Fall erhält man durch die Erfassung der Temperaturänderung in Zeitintervallen in der Größenordnung von wenigen Sekunden eine "Kurve", die in der Praxis mit dem Wert der Leistung in Beziehung gebracht werden kann, zusammen mit der Möglichkeit, eine eventuell vorhandene Unsicherheit oder Abweichung der Messung anzuzeigen, die in Echtzeit erfaßbar ist.
Weiter sei darauf hingewiesen, daß das Instrument gemäß der vorliegenden Erfindung in allen Bereichen eingesetzt werden kann, in denen es notwendig ist, die Leistung zu erfassen, die von Einrichtungen im allgemeinen abgegeben wird, wie beispielsweise Plasmabrennern, Brennern, Schneid- und Schweißbrennern, Gebläsen, Bunsenbrennern, Küchenkochern und Quellen inkohärenter Strahlung.
Zahlreiche Modifikationen und Änderungen der so konzipierten Erfindung sind möglich, die alle im Rahmen des Erfindungsgedankens liegen.
Zudem können alle Details durch andere, technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden.
In der praktischen Ausführung sind die eingesetzten Materialien sowie die Abmessungen und Formen je nach den Erfordernissen frei wählbar.

Claims

1. Instrument zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung abgegebenen Leistung, mit einer Absorptionsmasse (2) bekannter Wärmekapazität, die mit einem Haltekörper (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (10, 11) zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur der Absorptionsmasse (2) enthält, die einer Laserstrahlung ausgesetzt wird, deren Leistung zu erfassen ist, wobei die Erfassungsmittel (10, 11) mit einer zentralen Einheit zur Datenverarbeitung und zur Berechnung der Leistung, die auf einer Anzeige (5) dargestellt werden kann, verbunden sind.

2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur einen ersten Temperaturfühler (10) und einen zweiten Temperaturfühler (11) umfassen, die jeweils in engem thermischen Kontakt an zwei unterschiedlichen Stellen der Absorptionsmasse (2) angeordnet sind.

3. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur einen ersten Temperaturfühler (10) und einen zweiten Temperaturfühler (11) umfassen, die in engem thermischen Kontakt mit einem zentralen Bereich der Absorptionsmasse (2) bzw. an zumindest einer von dem zentralen Bereich radial beabstandeten Stelle angeordnet sind.

4. Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur einen ersten Temperaturfühler (10) und einen zweiten Temperaturfühler (11) umfassen, die in engem thermischen Kontakt mit dem Schwerpunkt der Absorptionsmasse (2) bzw. im Inneren des Haltekörpers (3) angeordnet sind, der von der Absorptionsmasse (2) thermisch isoliert ist.

5. Instrument nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (10, 11) aus zumindest einem Thermoelement bestehen.

6. Instrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (10, 11) von der Kupfer- Konstantan-Art und der Konstantan-Kupfer-Art sind.

7. Instrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (10, 11) eine Thermosäule umfassen.

8. Instrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Kupferleiter zwecks Verbindung der Thermoelemente (10, 11) in Reihe mit einer Ansprechzeit unter 1 Sekunde enthält.

9. Instrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Einheit zur Datenverarbeitung und zur Berechnung der Leistung einen Mikroprozessor enthält, der geeignet ist, den Erfassungsalgorithmus und die Berechnung der Leistung zu steuern.

10. Instrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige (5) Flüssigkristallelemente (5a) zum Anzeigen der Leistung in Watt, Flüssigkristallelemente (5b) zum Anzeigen der Meßunsicherheit und eine Balkengrafik (5c) zum Anzeigen des Temperaturniveaus hat, das die Absorptionsmasse (2) erreicht.

11. Verfahren zum Messen der von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung, insbesondere von einer Laser-Strahlungsquelle abgegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Erfassen einer Reihe von Daten betreffend die lineare Temperaturänderung einer Absorptionsmasse (2), die einer Strahlung ausgesetzt wird, welche von einer Quelle kohärenter oder inkohärenter Strahlung abgegeben wird; Berechnen des Inkrementalverhältnisses der Temperaturänderung in einem Zeitintervall, das beträchtlich unter der thermischen Zeitkonstante der Absorptionsmasse (2) liegt, unter Verwendung einer linearen Regression; Berechnen der Leistung anhand des Koeffizienten der Temperaturänderung und der Kapazität der Absorptionsmasse (2).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Messung nach der anfänglichen Temperaturänderung von zumindest 1°K und nach einer Zeitdauer in der Größenordnung von im wesentlichen 2 Sekunden für die Thermalisierung der Absorptionsmasse (2) automatisch erfolgt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit für die Erfassung der Daten betreffend den Temperaturanstieg zwischen 2 und 10 Sekunden liegt.