DE10322001A1

DE10322001A1 - Strahlungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10322001A1
Application number: DE2003122001
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Neumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: DE10322001B4

Abstract

Die Strahlungsmessvorrichtung dient zur Messung einer Strahlungsdichteverteilung. Sie enthält eine Strahlungsempfangsvorrichtung (10), die aus mehreren modulartigen Messklöpfen (11) besteht. Von jedem Messkopf (11) geht ein Faserbündel (26) ab, das zu einer Aufnahmeeinheit (35) führt, welche eine Kamera enthält. auf diese Weise kann die Strahlungsdichteverteilung zeilenweise gemessen und in eine Kamera eingegeben werden. Eine Bewegungsvorrichtung (18) dient zum Bewegen der Strahlungsempfangsvorrichtung durch das Messvolumen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsmessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdichteverteilung mit einer Strahlungsempfangsvorrichtung, die Strahlung, welche entlang einer Empfangslinie auftrifft, einer Aufnahmevorrichtung zuführt, und mit einer Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Strahlungsempfangsvorrichtung quer zu der Empfangslinie.

Eine derartige Strahlungsmessvorrichtung bekannter Art ist in DE 197 07 461 C2 (DLR) beschrieben. Die bekannte Strahlungsmessvorrichtung weist als Strahlungsempfangsvorrichtung einen Reflektor auf, der in Bezug auf die Haupteinfallsrichtung des Lichts schrägstehend angeordnet ist und von einer Bewegungsvorrichtung bewegt werden kann. Der Reflektor reflektiert das einfallende Licht zeilenweise auf die Kamera. In der Kamera ent steht aus den zunächst eindimensional aufgenommenen Helligkeitswerten ein zweidimensionales Bild.

Die Strahlungsmessvorrichtung dient dazu, eine Strahlungsmessung an Stellen hochkonzentrierter Strahlung vorzunehmen. Beispielsweise bei einem Solarkraftwerk, bei dem die Sonnenstrahlung auf einen Punkt oder eine Fläche fokussiert wird, sind Messungen notwendig, um Informationen über die Flussdichte der konzentrierten Strahlung und damit über die maximal erreichbare Temperatur zu gewinnen. Dabei wäre es zweckmäßig, die Strahlungsmessung nicht nur an strahlenden ebenen Flächen vornehmen zu können, sondern auch an gekrümmten oder winkelig zueinander stehenden Flächen.

Andere Messaufgaben als in der Solartechnik bestehen darin, innerhalb eines engen Ofenraumes die Bestrahlungsstärke flächenhaft zu messen. Generell müssen hohe Bestrahlungsstärken von mehreren 100 kW/m² flächenaufgelöst messbar sein. Die Messung muss schnell in wenigen Sekunden erfolgen und das System muss diese intensive Strahlung aushalten können.

Bekannt sind ferner Punktmessgeräte, die eine punktuelle Messung der Strahlungsdichte ermöglichen. Zum Ausmessen einer interessierenden Fläche sind umfangreiche Messungen an zahlreichen Messpunkten erforderlich, was sehr lange dauert. Nachteilig ist außerdem, dass ein solches System nicht kompakt sein kann und dass auch Kühlleitungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsmessvorrichtung der genannten Art zu schaffen, die von einfachem Aufbau ist und eine sichere Kopplung zwischen der Strahlungsempfangsvorrichtung und der Aufnahmevorrichtung (Kamera) gewährleistet. Außerdem soll die Strahlungsempfangsvorrichtung kleinformatig ausgeführt werden können, um auch unter ungünstigen und engen Raumverhältnissen eingesetzt zu werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist die Strahlungsempfangsvorrichtung über Lichtleitfasern mit einem an der Aufnahmevorrichtung angeordneten Bildpunkte erzeugenden Bildkoppler verbunden.

Es hat sich herausgestellt, dass Lichtleitfasern auch zur quantitativen Lichtmessung geeignet sind. Die Abhängigkeit der Transmission von der Biegung der Fasern ist sehr gering. Die Erfindung nutzt diese Umstände aus und schlägt vor, die von der Strahlungsempfangsvorrichtung empfangene Strahlung mittels flexibler Lichtleitfasern zu der Aufnahmevorrichtung zu übertragen. Dadurch wird eine störungsfreie und gegen Verschmutzung unanfällige Strahlungsübertragung von der Messstelle zu der Aufnahmevorrichtung gewährleistet. Die Strahlungsempfangsvorrichtung bildet ein Array aus den betreffenden Enden der Lichtleitfasern, die entlang einer Linie angeordnet sind. Auf diese Weise können bei entsprechender Faserdichte die Strahlungsdichten einer Empfangslinie mit hoher Auflösung gleichzeitig gewonnen und zu der Kamera übertragen werden. Die Lichtleitfasern enden in einem Bildkoppler, der das von der Kamera aufzunehmende Bild zeilenweise bereitstellt. Dabei kann eine Zeile des Bildkopplers in eine Bildzeile der Kamera umgewandelt werden. Bei der Kamera handelt es sich zweckmäßigerweise um eine CCD-Kamera, die mit einer entsprechenden Optik ausgestattet ist und einen CCD-Chip enthält. Im Bildkoppler sollen die Lichtaustritte der einzelnen Fasern so verteilt sein, dass die aktive CCD-Fläche der Kamera vollständig genutzt werden kann.

Die Erfindung ermöglicht ein schnelles und störungsfreies Gewinnen von Strahlungsdichtebildern durch zeilenweises Aufnehmen einer Zielfläche. Dabei werden die Bildpunkte einer Zeile jeweils zeitgleich gewonnen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Strahlungsempfangsvorrichtung aus modulartigen zusammensetzbaren Messköpfen. Die Messköpfe können beispielsweise linear hintereinander gesetzt sein, um eine Empfangszeile zu bilden. Sie können andererseits auch polygonförmig zusammengesetzt sein, um eine Anpassung an eine strahlungsaussendende gekrümmte Fläche zu erhalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlungsempfangsvorrichtung einen Diffusor enthält, der die Richtungsempfindlichkeit des Strahlungsempfangs der Lichtleitfasern verringert. Üblicherweise haben Lichtleitfasern eine relativ enge Appretur. Bei der Strahlungsmessvorrichtung soll jedoch an jedem Messpunkt die aus dem gesamten Halbraum einfallende Strahlung erfasst werden. Hierzu dient der Diffusor. Dieser muss im Übrigen aber so ausgebildet sein, dass er den auftretenden hohen Temperaturen standhält.

Zwischen Bildkoppler und Aufnahmevorrichtung ist zweckmäßigerweise ein Dämpfungsfilter angeordnet. Ein solches Dämpfungsfilter verringert die Strahlungsintensität derart, dass Übersteuerungen der Aufnahmevorrichtung vermieden werden. Die Lichtstärke wird an die Dynamik der Kamera angepasst. Aus Aufnahmevorrichtung können übliche Kamera-Standardprodukte verwendet werden. Die Kamera kann an einen PC oder einen anderen Computer angeschlossen werden, um die Bildauswertung vorzunehmen.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Strahlungsmessvorrichtung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer an einem Ofen eingesetzten Strahlungsmessvorrichtung,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer an einem Absorberrohr eines Solarkollektors eingesetzten Strahlungsmessvorrichtung,
4 einen Querschnitt durch die Strahlungsempfangsvorrichtung, und
5 eine Draufsicht der Strahlungsempfangsvorrichtung nach 4.
Die Strahlungsmessvorrichtung nach 1 weist eine Strahlungsempfangsvorrichtung 10 auf, die mehrere modulartig aufgebaute und zusammensetzbare Messköpfe 11 enthält. Jeder Messkopf 11 bildet einen Strahlungsempfänger mit zahlreichen entlang einer Empfangslinie angeordneten Messpunkten.
Von jedem Messkopf 11 führt ein Lichtleitkabel 12, das zahlreiche Lichtleitfasern enthält, zu einem Bildkoppler 13. In dem Bildkoppler 13 wird die Strahlung aus den Lichtleitfasern ausgekoppelt und auf einer Anzeigefläche 14 wiedergegeben. Auf die Anzeigefläche 14 ist eine Aufnahmevorrichtung 15 in Form einer Kamera gerichtet, die das Bild der Anzeigefläche 14 aufnimmt.
Zwischen dem Bildkoppler 13 und der Aufnahmevorrichtung 15 ist ein Dämpfungsfilter 16 angeordnet, um Übersteuerungen der Aufnahmevorrichtung durch die großen Strahlungsdichten zu vermeiden.
Der Signalausgang der Aufnahmevorrichtung 15 ist mit einem Computer 17 verbunden, beispielsweise einem PC.
Eine Begungsvorrichtung 18 steuert die Bewegung der Strahlungsempfangsvorrichtung 10 entlang des Doppelpfeils 19, also quer zur Richtung der von der Strahlungsempfangsvorrichtung gebildeten Empfangslinie.
In den 4 und 5 ist der Aufbau eines Messkopfes 11 der Strahlungsempfangsvorrichtung 10 dargestellt. Der Messkopf 11 weist ein langgestrecktes Gehäuse 20 auf, das in einer Strahlungseintrittsöffnung einen Diffusor 21 enthält, durch den die aus allen Raumrichtungen einfallende Strahlung 22 hindurchtritt. Im Innern des Gehäuses 20 befindet sich eine Kammer 23, in der sich das Ende einer optischen Faser 24 befindet. Die Kammer 23 enthält einen Umlenkspiegel 25, der die durch den Diffusor 21 einfallende Strahlung auf die Stirnseite der Lichtleitfaser 24 umlenkt und diese Strahlung in den Lichtleiter einkoppelt. Um die einzelnen Lichtleitfasern voneinander zu koppeln, kann für jede Lichtleitfaser eine eigene Kammer 23 vorgesehen sein. Der Diffusor 21 erstreckt sich über die gesamte Breite des Messkopfes 11.
5 zeigt, dass die Lichtleitfasern 24 zu einem Faserbündel 26 zusammengefasst sind. Die Fasern sind jeweils mit einem Fasermantel umhüllt und voneinander entkoppelt.
2 zeigt den Einsatz einer Strahlungsempfangsvorrichtung 10 aus mehreren Messköpfen 11 an einem Ofen 30, der durch mehrere Strahler 31 beheizt ist. Die Strahlungsempfangsvorrichtung 10 bildet eine lineare Stange, die in den Ofenraum 32 horizontal liegend eingeschoben wird, wobei die Sensorfläche mit dem Diffusor 21 nach oben zeigt. Auf diese Weise kann in der betreffenden Höhe, in der sich die Strahlungsempfangsvorrichtung 10 befindet, die Strahlungsdichteverteilung zeilenweise bestimmt werden. Die Bewegung der Strahlungsempfangsvorrichtung 10 erfolgt durch die Bewegungsvorrichtung 18, bei der es sich um einen Motor handelt, welcher eine Stange 33 linear antreibt.
Das Faserbündel 26 führt zu einer Aufnahmeeinheit 35, welche den Bildkoppler 13, das Filter 16 und die Kamera 15 enthält.
3 zeigt eine Strahlungsdichtemessung an dem Absorberrohr 40 eines Parabolrinnenabsorbers 41, welcher Solarenergie mit einem Parabolreflektor 42 einfängt und auf das Absorberrohr 40 konzentriert. Das Absorberrohr 40 ist von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durchströmt, um die Wärme einem (nicht dargestellten) Verbraucher zuzuführen.
Zur Messung der Strahlungsdichte der von dem Parabolreflektor 42 auf das Absorberrohr 40 reflektierten Strahlung dient die Strahlungsempfangsvorrichtung 10, die aus mehreren polygonförmig zusammengesetzten Messköpfen 11 besteht, deren Sensorfläche jeweils nach außen gerichtet und somit dem Parabolreflektor 42 zugewandt ist. Die Strahlungsempfangsvorrichtung 10 ist über ein vieladriges Lichtleitkabel 26 mit der Aufnahmeeinheit 35 verbunden. Die Bewegungsvorrichtung 18 treibt die Strahlungsempfangsvorrichtung 10 an, um diese entlang des Absorberrohres 40 zu bewegen. Dadurch kann das Strahlungsprofil der zu dem Ab sorberrohr hin reflektierten Strahlung über die gesamte Länge des Parabolrinnenkollektors sehr schnell ermittelt werden.
In 5 ist die Empfangslinie 27 dargestellt, hinter der sich die Einlassenden der einzelnen Lichtleitfasern 24 befinden. Die Strahlungsempfangsvorrichtung empfängt nur solche Strahlung, die längs der Empfangslinie 27 einfällt.

Claims

Strahlungsmessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdichteverteilung, mit einer Strahlungsempfangsvorrichtung (10), die Strahlung, welche entlang einer Empfangslinie (27) auftrifft, einer Aufnahmevorrichtung (15) zuführt, und mit einer Bewegungsvorrichtung (18) zum Bewegen der Strahlungsempfangsvorrichtung (10) quer zu der Empfangslinie (27), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsempfangsvorrichtung (10) über Lichtleitfasern (24) mit einem an der Aufnahmevorrichtung (15) angeordneten Bildpunkte erzeugenden Bildkoppler (13) verbunden ist.
Strahlungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsempfangsvorrichtung (10) aus modulartigen zusammensetzbaren Messköpfen (11) besteht.
Strahlungsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsempfangsvorrichtung (10) einen Diffusor (21) enthält, der die Richtungsempfindlichkeit des Strahlungsempfanges der Lichtleitfasern (24) verringert.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsempfangsvorrichtung (10) ein strahlungsabschirmendes Gehäuse (20) aufweist, in dem die Enden der Lichtleitfasern (24) angeordnet sind und dass das Gehäuse ein Fenster mit einem Diffusor (21) aufweist und einen Umlenkspiegel (25) zum Einkoppeln der aufgenommenen Strahlung in eine Lichtleitfaser (24) enthält.
Strahlungsmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Lichtleitfasern (24) in dem Gehäuse (20) in getrennten Kammern (23) enthalten sind.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Lichtleitfasern (24) längs der Empfangslinie (27) mehrere Fasern pro Millimeter beträgt.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bildkoppler (13) und der Aufnahmevorrichtung (15) ein Dämpfungsfilter (16) angeordnet ist.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (15) eine Matrixkamera ist, die die von der Strahlungsempfangsvorrichtung (10) gelieferten Reihen als Bildzeilen aufnimmt.
Strahlungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (15) eine Zeilenkamera ist, die zu einer Zeit eine einzige Bildzeile aufnehmen kann.