DE10356352B3 - Device for calibrating measurement devices for quantitative infrared radiation measurement has metal cavity radiator with small downward-facing aperture, collimator below aperture at distance so its focal point is exactly in aperture center - Google Patents

Device for calibrating measurement devices for quantitative infrared radiation measurement has metal cavity radiator with small downward-facing aperture, collimator below aperture at distance so its focal point is exactly in aperture center Download PDF

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Erwin Dr. Lindermeir
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    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/52Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using comparison with reference sources, e.g. disappearing-filament pyrometer
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Abstract

The device is in the form of a standard for calibrating measurement devices for quantitative infrared radiation measurement and has a cavity radiator made of metal with a small downward-facing opening (2) acting as an aperture and a collimator (6) arranged below the aperture at a distance so that its focal point (27) lies exactly in the center of the aperture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Form eines Normals zur Kalibrierung von Messgeräten zur quantitativen InfrarotStrahlungsmessung.The The invention relates to a device in the form of a standard for calibration of measuring devices for quantitative infrared radiation measurement.

Infrarotsensoren, wie Spektrometer, Radiometer, Pyrometer verfügen häufig über eine große Apertur, beispielsweise von bis zu 30cm Durchmesser und mehr, wie z.B. ein Teleskop, insbesondere, wenn sie für Fernmessungen verwendet werden. Sollen mit ihnen quantitative Messungen durchgeführt werden, so müssen sie, da es sich hier um wissenschaftliche Messungen im nicht eichpflichtigen Bereich handelt, kalibriert werden. Bei den für diese Geräte typischen Feldeinsätzen, (mobil im Gelände) unter rauen Bedingungen, beispielsweise auch im Flugzeug, sind wiederholte Kalibrierungen notwendig, die feldtaugliche Kalibriernormale erfordern. Diese müssen in aller Regel zur Kalibrierung auf unterschiedliche Temperaturen geheizt werden, sehr selten auch gekühlt werden.Infrared sensors, such as spectrometers, radiometers, pyrometers often have a large aperture, for example, up to 30 cm in diameter and more, such as e.g. one Telescope, especially if used for remote measurements. Should with them quantitative measurements are carried out, they must, since this is scientific measurements in the non-custody area trades, be calibrated. For the field inserts typical for these devices, (mobile in the area) under harsh conditions, for example, on the plane, are repeated Calibrations are required which require field-standard calibration standards. These must usually for calibration to different temperatures be heated, very rarely also be cooled.

In DE 101 10 131 A1 soll durch die Realisierung von mehreren Fixpunkt-Temperaturen während eines Aufheiz- und Abkühlvorgangs ohne zusätzliche Änderungen an der Messanordnung eine vereinfachte automatische Pyrometerkalibrierung ermöglicht werden. Hierzu ist ein als Hohlraumstrahler ausgebildeter Fixpunktstrahler vorgesehen, der aus mehreren aus Keramikmaterialien gefertigten Teilen besteht und welcher mehrere Kammern zur Kapselung von Fixpunktmaterialien enthält. Eine derartige Vorrichtung kann zur Ein-Zyklus-Kalibrierung von Strahlungsthermometern (Pyrometern) verwendet werden.In DE 101 10 131 A1 The simplified automatic pyrometer calibration is to be made possible by the realization of several fixed point temperatures during a heating and cooling process without additional changes to the measuring arrangement. For this purpose, designed as a cavity radiator fixed spotlight is provided, which consists of several parts made of ceramic materials and which contains a plurality of chambers for encapsulating fixed point materials. Such a device can be used for one-cycle calibration of radiation thermometers (pyrometers).

In US 2003/0042422 A1 sind zur Simulierung eines schwarzen Körpers mehrere Platten zum Absorbieren und Reflektieren elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Einfallende elektromagnetische Strahlung wird von einer Platte zur nächsten so lange reflektiert, bis die Richtung der elektromagnetischen Strahlung umgekehrt wird. Sobald die elektromagnetische Strahlung reflektiert wird, wird die Majorität der elektrischen Strahlung absorbiert, mit dem Ergebnis, dass eine vernachlässigbare Menge an einfallender elektromagnetischer Strahlung entweicht.In US 2003/0042422 A1 are more for simulating a black body Plates for absorbing and reflecting electromagnetic radiation intended. Incident electromagnetic radiation is emitted by a Plate to the next reflected until the direction of electromagnetic radiation is reversed. Once the electromagnetic radiation reflects becomes the majority the electric radiation absorbs, with the result that one negligible Amount of incident electromagnetic radiation escapes.

In US 6,390,668 B1 ist eine thermische Strahlungsquelle zum Kalibrieren und Testen von Infrarot-Thermometern und -Detektoren vorgesehen. In US 6,447,160 B1 ist ein Hohlraum eines Schwarzenstrahlers mit zwei Typen von Wandoberflächen beschrieben, wobei der erste Typ ein hohes und der zweite Typ eine niedriges Emissionsvermögen hat. Durch die Kombination dieser beiden Oberflächentypen kann der Einfluss der Umgebungstemperatur in dem schwarzen Körper reduziert werden, während sich gleichzeitig das Emissionvermögen eins nähert.In US 6,390,668 B1 a thermal radiation source is provided for calibrating and testing infrared thermometers and detectors. In US 6,447,160 B1 For example, a cavity of a blackbody having two types of wall surfaces is described, the first type having a high emissivity and the second type having a low emissivity. By combining these two types of surface, the influence of ambient temperature in the black body can be reduced while at the same time the emissivity approaches unity.

Als Normale zur Kalibrierung solcher Strahlungsmessgeräte im infraroten Spektralbereich werden Strahlungsquellen verwendet, deren Konstruktion und Betriebsweise ihnen die Eigenschaft von Schwarzen Strahlern verleihen soll. D. h. der Emissionsgrad der Quellen wird zu εN = 1, ihre Temperatur T wird als uniform über die gesamte, für die Kalibrierung relevante Fläche des Normals und – während der Messzeit zur Kalibrierung – als zeitlich konstant angenommen. Dann ist der für die Kalibrierung geforderte Zusammenhang zwischen Messgröße und Messwert über das Plancksche Strahlungsgesetz allein durch die Temperatur T des Kalibrierstrahlers – und damit eindeutig bestimmt und nur noch von der Genauigkeit der Kenntnis dieser Temperatur T abhängig.As standards for the calibration of such radiation measuring devices in the infrared spectral range radiation sources are used whose construction and mode of operation should give them the property of black emitters. Ie. the emissivity of the sources becomes ε N = 1, their temperature T is assumed to be uniform over the entire area of the normal relevant for the calibration and - during the measuring time for calibration - as being constant in time. Then, the connection between the measured variable and the measured value required for the calibration via the Planck radiation law is solely determined by the temperature T of the calibration radiator - and thus clearly and only dependent on the accuracy of the knowledge of this temperature T.

Zur Kalibrierung muss das Normal die Apertur des Strahlungsmessgeräts vollständig überdecken und auch seinen Gesichtsfeldwinkel ausfüllen, damit eindeutige und definierte Bedingungen vorliegen. Ein hoher Emissionsgrad von εN = 1 lässt sich am besten durch einen Hohlraum mit großer innerer Oberfläche und kleiner Öffnung realisieren („Hohlraumstrahler"); die kleine Öffnung ist der Schwarze Strahler. Je kleiner die Öffnung im Vergleich zur inneren Oberfläche ist, desto näher bei εH = 1 ist der Emissionsgrad. Dabei spielt auch der Emissionsgrad des Materials der inneren Oberfläche eine Rolle.For calibration, the normal must completely cover the aperture of the radiometer and also fill its field of view angle so that clear and defined conditions exist. A high emissivity of ε N = 1 is best achieved through a cavity with a large inner surface and small aperture ("cavity emitter"), the small aperture is the black emitter, the closer the aperture is to the inner surface, the closer At ε H = 1, the emissivity is determined, and the emissivity of the material of the inner surface also plays a role.

Angesichts großer Aperturen der zu kalibrierenden Geräte muss die strahlende Öffnung aber groß sein, nämlich bis zu 30 cm Durchmesser und mehr. Soll dabei nahezu εH = 1 realisiert werden, ist ein sehr großer Hohlraum erforderlich. Ein großes, unhandliches Normal wäre die Konsequenz, das für den Feldeinsatz ungeeignet wäre. Des weiteren wäre auch ein enormer Aufwand erforderlich, die innere Oberfläche zu heizen und auf homogene Temperatur mit Abweichungen von beispielsweise ΔT < 0,1 K zu stabilisieren.However, in view of the large apertures of the devices to be calibrated, the radiant aperture must be large, namely up to 30 cm in diameter and more. If almost ε H = 1 is to be realized, a very large cavity is required. A big, unwieldy normal would be the consequence, which would be unsuitable for field use. Furthermore, an enormous effort would be required to heat the inner surface and to stabilize at a homogeneous temperature with deviations of, for example, ΔT <0.1 K.

Es werden deshalb in aller Regel Strahlungsnormale nicht als Hohlraumstrahler, sondern in Form ausgedehnter Flächen, d.h. "Flächenstrahler", meist in Form von Metallplatten, verwendet, die etwas größer als die Apertur des zu kalibrierenden Geräts sind. Durch geregelte, elektrische Heizung sollen sie auf möglichst homogene Oberflächentemperatur gebracht werden. Je größer die Strahleroberfläche ist, desto schwieriger ist dieses Ziel zu erreichen. Im Feldein satz erschweren außerdem Umwelteinflüsse, wie Wind, Sonne, die Temperatur während der Messzeit konstant zu halten.It As a rule, therefore, radiation standards are not used as cavity radiators. but in the form of extended surfaces, i.e. "Panel radiator", usually in the form of Metal plates, used slightly larger than the aperture of the calibrating device are. By controlled, electric heating, they should as possible homogeneous surface temperature to be brought. The bigger the radiator surface the harder it is to reach that goal. In the field complicate as well Environmental influences, such as Wind, sun, the temperature during to keep the measuring time constant.

Durch Strukturierung der Oberflächen, beispielsweise durch Furchung und Beschichtung mit hochemittierenden Materialien in Form von Lacken, soll ein Emissionsgrad nahe an εF = 1 realisiert werden, was nur eingeschränkt möglich ist. Daher weisen Flächenstrahler immer einen geringeren Emissionsgrad auf als vergleichbare Hohlraumstrahler. Unbeabsichtigte Reflexionen von Strahlungsquellen, wie beispielsweise Elektronik, Bedienpersonal, sind daher möglich und verfälschen die Kalibrierung. Feldexperimente müssen deswegen besonders sorgfältig aufgebaut werden.By structuring the surfaces, for example by furrowing and coating with high-emitting materials in the form of paints, an emissivity near ε F = 1 should be realized, which is only possible to a limited extent. Therefore, surface radiators always have a lower emissivity than comparable cavity radiators. Unintentional reflections from radiation sources, such as electronics, operating personnel, are therefore possible and falsify the calibration. Field experiments must therefore be built with particular care.

Die Struktur stört außerdem die Temperaturhomogenität: die Furchen sind im „Tal" wärmer als an den Spitzen. Strukturierung und Lackierung verfälschen außerdem die Temperaturmessung, da der Temperaturfühler für die Regelung meist im Grundmaterial des Strahlers befestigt ist, die für die Strahlung bestimmende Temperatur aber die Temperatur direkt an der Oberfläche ist.The Structure disturbs Furthermore the temperature homogeneity: the furrows are warmer in the "valley" than at the tips. Structuring and painting also distort the Temperature measurement, as the temperature sensor for the control usually in the base material the radiator is fixed, which determines the radiation Temperature but the temperature is directly at the surface.

Weiterhin sind Lacke mit hohem Emissionsgrad im verwendbaren Temperaturbereich eingeschränkt einsetzbar, so ist beispielsweise "Nextel velvet black" nur bis 140°C spezifiziert. Kalibrierungen bei Temperaturen auch bis 1000 K und mehr sind bei bestimmten Anwendungen wünschenswert, beispielsweise bei Untersuchungen an Verbrennungsvorgängen. Die Unzulänglichkeiten bei der Kalibrierung sind oft die dominierende Fehlerquelle bei quantitativen Messungen. Das Messgerät wäre in der Lage genauer zu messen, die Kalibrierfehler verhindern das aber.Farther are high emissivity paints in the usable temperature range limited can be used, for example "Nextel velvet black" is specified only up to 140 ° C. Calibrations included Temperatures even up to 1000 K and more are in certain applications desirable, For example, in investigations of combustion processes. The shortcomings Calibration is often the dominant source of error quantitative measurements. The meter would be able to measure more accurately but the calibration errors prevent that.

Nachteilig beim Stand der Technik ist, dass Emissionsgrad und Temperaturhomogenität von Strahlungsnormalen für die Kalibrierung von Infrarotstrahlungsmessgeräten großer Aperturen sehr häufig nicht den Anforderungen entsprechen, die durch die Eigenschaften des zu kalibrierenden Geräts vorgegeben sind, und dass dadurch ein unerwünschter Fehler bei der Kalibrierung verursacht wird, der sich wiederum nachteilig auf das Messergebnis auswirkt. Besonders nachteilig ist auch, dass die Unzulänglichkeiten hinsichtlich des Emissionsgrads und insbesondere der Temperaturhomogenität nicht oder nur mit großem Aufwand zu verhindern oder zu quantifizieren sind. Deshalb werden sie gewöhnlich vernachlässigt und daher kann auch die Messunsicherheit nicht zuverlässig quantifiziert werden.adversely In the prior art, the emissivity and temperature homogeneity of radiation standards for the Calibration of large-aperture infrared radiation meters very often not meet the requirements of the properties of the calibrating device are predetermined, and thereby an undesirable error in the calibration caused, which in turn adversely affects the measurement result effect. It is also particularly disadvantageous that the shortcomings in terms of the emissivity and in particular the temperature homogeneity not or only with big ones Effort must be prevented or quantified. That's why they usually neglected and therefore the measurement uncertainty can not be reliably quantified become.

Nachteilig ist außerdem, dass die genannten Unzulänglichkeiten und Probleme mit zunehmender Apertur (strahlender Fläche) des Kalibriernormals wachsen. Ein weiterer Nachteil ist der eingeschränkte Temperaturbereich der verfügbaren Flächenstrahler. Von Nachteil ist bei Flächenstrahlern zudem der große Bedarf an Heizleistung, der durch die große, thermisch nicht isolierte Aperturfläche bedingt ist, sowie die meist lange Zeit, bis die Solltemperatur stabil erreicht ist. Dies ist vor allem in Umgebungen, in denen die verfügbare Heizleistung begrenzt ist, beispielsweise bei Feldmessungen oder auf Satelliten, oft ein großer Nachteil.adversely is also that said inadequacies and problems with increasing aperture (radiating area) of the Calibration standards grow. Another disadvantage is the limited temperature range the available Floodlights. The disadvantage is with surface spotlights also the big one Need for heating power by the large, thermally uninsulated aperture is conditional, as well as the usually long time until the target temperature is achieved stable. This is especially true in environments where the available Heating power is limited, for example, in field measurements or on satellites, often a big one Disadvantage.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung in Form eines Normals zur Kalibrierung von Messgeräten zu schaffen, so dass eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit radiometrischer/spektralradiometrischer Kalibrierung ermöglicht und dadurch die Unsicherheit bei quantitativen, radiometrischen/spektralradiometrischen Messungen reduziert wird.task The invention is a device in the form of a standard for Calibration of measuring instruments to create, so a higher reliability and accuracy of radiometric / spectral radiometric calibration allows and thereby the uncertainty in quantitative, radiometric / spectral radiometric Measurements are reduced.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe ein kleiner Hohlraumstrahler aus Metall mit einer Apertur vorgesehen. Zur Schaffung einer entsprechend großen Apertur des Hohlraumstrahlers ist zusätzlich ein Kollimator, d.h. ein optisches System zur Strahlaufweitung, unter der kleinen Apertur des Hohlraumstrahlers ausgerichtet in einem solchen Abstand angeordnet, dass dessen Brennpunkt genau in der Mitte der Aperturöffnung liegt. Vorteilhafte Ausgestalltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.According to the invention is for solution the task of a small cavity radiator made of metal with an aperture intended. To create a correspondingly large aperture of the cavity radiator is additional a collimator, i. an optical system for beam expansion, aligned under the small aperture of the cavity radiator in arranged at such a distance that its focal point exactly in the center of the aperture opening lies. Advantageous embodiments of the invention are the subject further claims.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:following The invention will be explained in detail with reference to the drawings. It demonstrate:

1a eine gemäß der Erfindung bevorzugte Ausführungsform eines Kalibrierstrahler mit Halterahmen und Gehäuse in Sichtrichtung auf die strahlende Apertur; 1a a preferred embodiment of the invention a Kalibrierstrahler with holding frame and housing in the viewing direction of the radiating aperture;

1b eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie A-A in 1a durch Kalibrierstrahler, Halterahmen und Gehäuse; 1b a sectional view taken along a section line AA in 1a through calibration emitter, holding frame and housing;

2a den gegenüber 1a etwa um 45 Grad gedrehten Kalibrierstrahler mit Halterahmen und Gehäuse wiederum in Sichtrichtung auf die strahlende Apertur; 2a opposite 1a about 45 degrees rotated calibration emitter with holding frame and housing again in the direction of view of the radiating aperture;

2b eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in 2a durch Kalibrierstrahler, Halterahmen und Gehäuse; 2 B a sectional view taken along a line BB in 2a through calibration emitter, holding frame and housing;

3 im Schnitt eine vergrößerte Detailansicht eines Teils einer Wand des Hohlraums des Kalibrierstrahlers; 3 in section an enlarged detail view of a portion of a wall of the cavity of the Kalibrierstrahlers;

4 eine Schnittansicht durch den Hohlraum; 4 a sectional view through the cavity;

5 eine bevorzugte Anordnung des Kalibrierstrahlers und eines Kollimators; 5 a preferred arrangement of Kalibrierstrahlers and a collimator;

6 eine Schnittansicht mit einem zusätzlichen Temperaturfühler, und 6 a sectional view with an additional temperature sensor, and

7 eine vergrößerte Schnittansicht einer Vorrichtung zur Kalibrierung des Temperaturfühlers. 7 an enlarged sectional view of a device for calibrating the temperature sensor.

In 1a bis 2b und 3 ist ein vorzugsweise kugelförmiger Hohlraum 10 einer Hohlkugel 1 aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, mit einer Öffnung 2, dargestellt. Die Kugelform hat bezüglich Größe, Gewicht und benötigter Heizleistung Vorteile, ist jedoch fertigungstechnisch nur mit mehr Aufwand zu realisieren. Andere Hohlraumformen, wie Zylinder, Konus, Doppel-Konus, etc. sind prinzipiell ebenfalls geeignet.In 1a to 2 B and 3 is a preferably spherical cavity 10 a hollow sphere 1 of metal, preferably copper, with an opening 2 represented. The spherical shape has advantages in terms of size, weight and heating power required, but manufacturing technology can only be realized with more effort. Other forms of cavities, such as cylinders, cones, double cones, etc. are also suitable in principle.

Die Hohlkugel 1 besteht aus zwei gleichgroßen Halbkugelschalen 11, 12, von denen die eine Halbschale 11 im Scheitelpunkt (Pol) die vorzugsweise kreisförmige Öffnung 2 und die andere Halbschale 12 keine derartige Öffnung aufweist. Vorzugsweise am Scheitelpunkt der Halbschale 12 (ohne Öffnung), d.h. am geschlossenen Pol ist auf der äußeren Wandoberfläche 4 mindestens ein Temperaturfühler 70 (1b, 2b) mit gutem Wärmeübergang befestigt, dessen Zuleitungen, die in 1b und 2b nur durch kurze Linien angedeutet sind, nach außen durch eine Wand eines Gehäuses 16 zu einem nicht dargestellten Regler, sowie einem ebenfalls nicht dargestellten Speicher- und Anzeigegerät geführt. Der Temperaturfühler 70 ist vorzugsweise ein PT100-Element.The hollow sphere 1 consists of two equal-sized hemispherical shells 11 . 12 of which the one half shell 11 in the apex (Pol) the preferably circular opening 2 and the other half shell 12 has no such opening. Preferably at the apex of the half shell 12 (without opening), ie at the closed pole is on the outer wall surface 4 at least one temperature sensor 70 ( 1b . 2 B ) with good heat transfer, whose supply lines, in 1b and 2 B are indicated only by short lines, outwardly through a wall of a housing 16 to a controller, not shown, as well as a memory and display device, also not shown. The temperature sensor 70 is preferably a PT100 element.

In inneren Wandoberflächen 3 der beiden Halbkugelschalen 11, 12 sind konzentrisch oder spiralförmig verlaufende, vorzugsweise etwa v-förmige Furchen 31 (3) eingebracht, die lückenlos aneinander anschließen und parallel zum "Äquator" 13 angeordnet sind, bzw. von den Polen zum "Äquator" 13 verlaufen. Die Furchen haben Flankenwinkel im Bereich von etwa 30° bis 60° und eine Tiefe von vorzugsweise 1 bis 2 mm. Die Halbschalen 11, 12 werden nach Einbringen der Furchen 31 auf ca. 700°C erhitzt, und zwar so lange, bis die inneren Wandoberflächen 3 oxidieren d.h. verzundern zu Kupferoxid CuO.In inner wall surfaces 3 the two hemispherical shells 11 . 12 are concentric or spiral-shaped, preferably approximately V-shaped furrows 31 ( 3 ), which connect seamlessly to each other and parallel to the "equator" 13 or from the poles to the "equator" 13 run. The grooves have flank angles in the range of about 30 ° to 60 ° and a depth of preferably 1 to 2 mm. The half-shells 11 . 12 be after introducing the furrows 31 heated to about 700 ° C, and that until the inner wall surfaces 3 oxidize ie scale to copper oxide CuO.

Die äußeren Wandoberflächen 4 der beiden Halbkugelschalen 11, 12 sind jeweils mit einer spiralförmig vom Pol bis zum Äquator 13 verlaufenden Nut 41 versehen. Die Nut 41 dient zur Aufnahme eines elektrischen Heizdrahts 5, ist vorzugsweise ein geradwandiger Einstich mit gerader Wand 42 und halbkreisförmigem Boden 43.The outer wall surfaces 4 the two hemispherical shells 11 . 12 each with a spiral from the pole to the equator 13 extending groove 41 Mistake. The groove 41 serves to accommodate an electric heating wire 5 , is preferably a straight wall recess with a straight wall 42 and semi-circular bottom 43 ,

Die Steigung der spiralförmigen Nute 41 ist so bemessen, dass die Abstände, in denen der Heizleiter 5 auf der Kugel zu liegen kommt, klein sind und im Bereich weniger Millimeter liegt. Die Länge des Heizleiters 5 ist der Länge der spiralförmigen Nut 41 angepasst, d.h. der beheizte Teil muss in der spiralförmigen Nut 41 liegen und nur die kalten Enden sind nach außen geführt.The slope of the spiral groove 41 is such that the distances in which the heating conductor 5 to lie on the ball, are small and in the range of a few millimeters. The length of the heating conductor 5 is the length of the spiral groove 41 adapted, ie the heated part must be in the spiral groove 41 lie and only the cold ends are led to the outside.

Breite und Tiefe der Nut 41 sind so bemessen, dass der eingebrachte Heizdraht 5 gut wärmeleitend an den Wänden 42 der Nute 41 anliegt und nach seinem Einlegen durch Verstemmung 44 der oberen Nutränder 45 ein dauerhafter thermischer Kontakt gegeben und ein mechanisches Trennen von Hohlkugelschale und Heizdraht 5 unterbunden ist.Width and depth of the groove 41 are sized so that the inserted heating wire 5 good thermal conductivity on the walls 42 the groove 41 is present and after its insertion by caulking 44 the upper groove border 45 a permanent thermal contact given and a mechanical separation of hollow ball shell and heating wire 5 is prevented.

3 zeigt beispielhaft den Querschnitt der spiralförmigen Nut 41 teilweise mit eingebrachtem Heizleiter 5. Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu gewährleisten, ist der untere Teil der Nute (41) ein halbkreisförmiger Boden 43, während die Wände 42 der Nute 41 gerade, d.h, tangential zu dem halbkreisförmigen Boden 43 verlaufen. Die maximale Nuttiefe ist einige zehntel Millimeter geringer als der Durchmesser des Heizleiters 5. 3 shows by way of example the cross section of the spiral groove 41 partly with inserted heating conductor 5 , In order to ensure the best possible heat transfer, the lower part of the groove ( 41 ) a semicircular bottom 43 while the walls 42 the groove 41 straight, ie, tangent to the semicircular bottom 43 run. The maximum groove depth is a few tenths of a millimeter less than the diameter of the heating element 5 ,

Dies ermöglicht es, den Heizleiter 5 durch Verstemmungen 44 in den Nuten 41 zu fixieren. Hierbei wird beispielsweise im Abstand von etwa 20mm auf einer Breite von etwa 5 mm verstemmt. Auf diese Weise ist der Heizleiter 5 mit großer Kontaktfläche sicher in den Nuten 41 gehalten. Trotzdem bleibt in Längsrichtung des Heizleiters 5 eine Ausdehnungsmöglichkeit, so dass Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Heizleiter und Kugelmaterial vermeiden sind.This allows the heating conductor 5 by caulking 44 in the grooves 41 to fix. In this case, for example, caulked at a distance of about 20mm on a width of about 5 mm. This is the heating conductor 5 with large contact surface safely in the grooves 41 held. Nevertheless, it remains in the longitudinal direction of the heating conductor 5 an expansion possibility, so that stresses due to different thermal expansion of heat conductor and ball material are avoided.

Die Wandstärke der Halbkugeln ist so dimensioniert, dass eine Änderung der über die Heizdrähte zugeführten Heizenergie keine Temperaturinhomogenität auf der inneren Kugeloberfläche verursacht. D.h. eine Temperaturerhöhung des Heizdrahtes führt zwar zu einer Temperaturinhomogenität auf der äußeren Wand, die Wandstärke ist aber so groß, dass diese Inhomogenität ausgeglichen ist, wenn die Temperaturerhöhung die Innenwand der Kugel erreicht.The Wall thickness The hemispheres are dimensioned so that a change in the over the Heating wires supplied heating energy no temperature inhomogeneity on the inner sphere surface caused. That an increase in temperature of the heating wire leads though to a temperature inhomogeneity on the outer wall, the wall thickness but is so big that this inhomogeneity is balanced when the temperature increase the inner wall of the ball reached.

Die Halbschalen 11, 12 weisen am Äquator 13 Klemm- 14 und Halteflansche 15 auf. Beispielsweise durch Verschrauben der Klemmflansche 14 sind die beiden Halbschalen 11, 12 fest und gut wärmeleitend zu der Hohlkugel 1 verbunden. Durch die Halteflansche 15 ist eine thermisch isolierte Halterung der Hohlkugel 1 geschaffen, die in einem vorzugsweise metallischen Gehäuse 16 mittels eines Halterahmens 17 befestigt ist. Zwischen Halteflansch 15 und Halterahmen 17 sind thermisch isolierte Buchsen 18 vorgesehen. Als Isolationsmaterial für die Buchsen 18 wird für Temperaturen unter 200°C beispielsweise glasfaserverstärktes Teflon, für höhere Temperaturen Keramikmaterial verwendet.The half-shells 11 . 12 show at the equator 13 clamping 14 and retaining flanges 15 on. For example, by screwing the clamping flanges 14 are the two half-shells 11 . 12 firm and good thermal conductivity to the hollow sphere 1 connected. Through the retaining flanges 15 is a thermally insulated holder of the hollow sphere 1 created in a preferably metallic housing 16 by means of a holding frame 17 is attached. Between retaining flange 15 and support frame 17 are thermally insulated sockets 18 intended. As insulation material for the sockets 18 For example, glass fiber reinforced Teflon is used for temperatures below 200 ° C and ceramic material for higher temperatures.

Die Räume 19 zwischen der Hohlkugel 1 und Wänden des Gehäuses 16 sind mit thermischem isolierendem Material, wie beispielsweise mit Aluminiumfolie kaschiertem Keramikvlies oder Schüttgut ausgefüllt. Das Gehäuse 16 ist im Vergleich zur Hohlkugel 1 und unter Berücksichtigung des Betriebstemperaturbereichs des Kalibrierstrahlers so dimensioniert, dass genügend Raum für eine ausreichende thermische Isolierung zur Verfügung steht.The rooms 19 between the hollow sphere 1 and walls of the housing 16 are with thermal iso lierendem material, such as filled with aluminum foil ceramic fleece or bulk filled. The housing 16 is compared to the hollow sphere 1 and dimensioned taking into account the operating temperature range of the calibration heater so that there is sufficient space for sufficient thermal insulation available.

Im Gehäuse 16 ist eine Öffnung 20 ausgebildet, über welche die Strahlung der Hohlkugel 1 austreten kann und die daher entsprechend der Kugelöffnung 2 dimensioniert ist.In the case 16 is an opening 20 formed, via which the radiation of the hollow sphere 1 can escape and therefore according to the ball opening 2 is dimensioned.

Die Öffnung 2 der Hohlkugel 1 ist mit einem Tubus 21 in Form eines an die Kugel 1 angebrachten oder angedrehten Flansches (1b) als Übergang zur Gehäuseöffnung 20 ver sehen. Die Hohlkugel 1 ist so im Gehäuse 16 montiert, dass der Tubus 21 mit der Gehäuseöffnung 20 fluchtet. Das Isoliermaterial ist in diesem Bereich ausgespart, so dass ein ungehinderter Strahlungsfluss von der Hohlkugel 1 nach außen sichergestellt ist.The opening 2 the hollow sphere 1 is with a tube 21 in the form of a to the ball 1 attached or turned flange ( 1b ) as a transition to the housing opening 20 Mistake. The hollow sphere 1 is so in the case 16 mounted that tube 21 with the housing opening 20 flees. The insulating material is recessed in this area, so that an unimpeded flow of radiation from the hollow sphere 1 is ensured to the outside.

Im Betrieb ist die strahlende Öffnung 2 nach unten gerichtet. Zur Temperaturmessung, für die Regelung und zur Durchführung der Kalibrierung sind Pt100-Fühler 70 (1b, 2b) vorgesehen. Vorzugsweise wird eine quasikontinuierliche Regelung der Temperatur mit einem digitalem PID-Regler und der Möglichkeit, die Temperatur/en mit Zeitstempel abzuspeichern, verwendet.In operation, the radiant opening 2 directed downwards. For temperature measurement, control and calibration, Pt100 probes are used 70 ( 1b . 2 B ) intended. Preferably, a quasi-continuous control of the temperature with a digital PID controller and the ability to store the temperature (s) with a time stamp is used.

Zur gleichmäßigen Beheizung der Kugeloberfläche sind vorzugsweise ummantelte Heizleiter bzw. -drähte vorgesehen, die aus einem Metallrohr bestehen, dessen Durchmesser einige Millimeter und dessen Wandstärke üblicherweise 0,1mm bis 0,2 mm beträgt. Im Inneren des Metallrohrs befindet sich als eigentlicher Heizleiter ein Widerstandsdraht, der gegenüber dem Metallrohr durch einen pulverförmigen Nichtleiter, beispielsweise Magnesiumoxid, elektrisch isoliert ist. Um einen elektrischen Anschluss an den Enden des ummantelten Heizleiters 5 zu ermöglichen, werden die Enden nicht beheizt. An den Enden, beispielsweise mit einer Länge von einigen 10cm, ist der Widerstandsdraht durch einen elektrisch gut leitenden Draht ersetzt.For uniform heating of the spherical surface preferably sheathed heating conductors or wires are provided, which consist of a metal tube whose diameter is a few millimeters and its wall thickness is usually 0.1 mm to 0.2 mm. In the interior of the metal tube, the actual heating conductor is a resistance wire which is electrically insulated from the metal tube by a powdery non-conductor, for example magnesium oxide. To make an electrical connection to the ends of the sheathed heat conductor 5 to allow the ends are not heated. At the ends, for example, with a length of some 10 cm, the resistance wire is replaced by a wire with good electrical conductivity.

Die Vorteile eines ummantelten Heizleiters 5 sind folgende: Der eigentliche Heizleiter/-draht ist gegenüber dem Metallrohr isoliert. Daher führt eine direkte Anbringung des Heizleiters 5 auf einer metallischen Oberfläche in der spi ralförmigen Nut 41 mit geraden Wänden 42 und halbkreisförmigen Boden 43 zu keinem Kurzschluss.The advantages of a jacketed heating conductor 5 are the following: The actual heating conductor / wire is insulated from the metal tube. Therefore, a direct attachment of the heating leads 5 on a metallic surface in the spiral groove 41 with straight walls 42 and semi-circular bottom 43 to no short circuit.

Der ummantelte Heizleiter 5 ist mechanisch wesentlich robuster als beispielsweise der Widerstandsdraht allein. Er kann deshalb wesentlich einfacher auf der Hohlkugel 1 fixiert werden. Aufgrund der dünnen Wandstärke des Metallrohrs und der pulverförmigen Isolation ist der ummantelte Heizleiter 5 genügend flexibel, um auf der Hohlkugeloberfläche vorzugsweise in spiralförmigen Nuten 41 verlegt zu werden.The sheathed heating conductor 5 is mechanically much more robust than, for example, the resistance wire alone. He can therefore much easier on the hollow sphere 1 be fixed. Due to the thin wall thickness of the metal tube and the powdered insulation is the jacketed heating conductor 5 sufficiently flexible to on the hollow ball surface, preferably in spiral grooves 41 to be relocated.

Insbesondere wenn Schwarzkörper auf hohe Temperaturen von 500 bis 1000°C aufgeheizt werden sollen, ist darauf zu achten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient eines ummantelten Heizleiters 5 möglichst gut mit demjenigen des Materials der Hohlkugel (Nute 41) übereinstimmen. Da dies aber nicht immer exakt möglich ist, verbieten sich relativ harte Verbindungen wie Kleben oder Hartlöten.In particular, when black bodies are to be heated to high temperatures of 500 to 1000 ° C, it is important to ensure that the coefficient of thermal expansion of a jacketed heating element 5 as well as possible with that of the material of the hollow sphere (Nute 41 ) to match. However, since this is not always possible exactly, relatively hard connections such as gluing or brazing are prohibited.

Die kleine strahlende Öffnung erlaubt die Verwendung eines relativ kleinen Hohlraums. Dessen Gestaltung als Hohlkugel ist, bezogen auf die Größe der inneren Kugeloberfläche, der kleinste mögliche Körper. Diese Tatsache und die Wahl des Materials, beispielsweise von gut wärmeleitendem Kupfer in Zusammenhang mit dem speziellen, vorstehend beschriebenen Aufbau der Heizung und der thermischen Isolierung sorgen für eine gute thermische Homogenität der inneren Oberflächen und damit für eine homogene Strahldichte an der strahlenden Öffnung. Des weiteren ist dadurch eine ausgeprägte Unabhängigkeit von Umgebungseinflüssen, wie Sonne, Wind usw. erreicht.The small bright opening allows the use of a relatively small cavity. Its design is as a hollow ball, based on the size of the inner spherical surface, the smallest possible Body. This fact and the choice of material, for example, from good thermally conductive copper in connection with the specific structure described above the heating and the thermal insulation make for a good one thermal homogeneity the inner surfaces and for that a homogeneous radiance at the radiating aperture. Furthermore, it is characterized a pronounced independence of environmental influences, such as Sun, wind, etc. reached.

Die Furchung der inneren Oberflächen sorgt für eine Vergrößerung der Oberfläche und damit des Emissionsgrads. Das Verzundern bewirkt eine zusätzliche Steigerung des Emissionsgrads. Eine weitere Beschichtung der inneren Oberflächen ist daher nicht erforderlich, denn das Zusammenwirken von Hohlraum, Oberflächenstruktur und Oberflächenmaterial (CuO) führt zu einem Emissionsgrad an der kleinen Öffnung, der ausreichend Nähe bei εH = 1 liegt.The furrowing of the inner surfaces increases the surface area and thus the emissivity. The scaling causes an additional increase in the emissivity. A further coating of the inner surfaces is therefore not necessary, because the interaction of cavity, surface structure and surface material (CuO) leads to an emissivity at the small opening, which is sufficiently close at ε H = 1.

Des weiteren erlaubt der Aufbau eine unverfälschte Temperaturmessung an den inneren Oberflächen. Da die inneren Oberflächen nicht mit thermisch limitierenden Materialien beschichtet sind, kann der Kalibrierstrahler auch bei hohen Temperaturen betrieben werden. Insgesamt ist trotz thermischer Isolierung ein kleiner, kompakter Aufbau möglich, der darüber hinaus einen geringen Bedarf an Heizenergie erfordert, was insbesondere im Feld- bzw. Flugzeugeinsatz von großem Vorteil ist.Of Further, the structure allows an unadulterated temperature measurement the inner surfaces. Because the inner surfaces not coated with thermally limiting materials can The calibration lamp can also be operated at high temperatures. Overall, despite thermal insulation, a smaller, more compact Construction possible, the above In addition, a low demand for heating energy requires what, in particular In field or aircraft deployment is of great advantage.

Für eine Kalibrierung ist eine ortsfeste Positionierung der strahlenden Öffnung notwendig, wobei sich im Zentrum der Öffnung der Brennpunkt des Kollimators befinden muss. Auch bei mechanischen Vibrationen, wie beispielsweise bei einem Flugzeugeinsatz, darf sich diese optische Justierung nicht verändern. Die Art und Weise der Montage des Hohlraums im Gehäuse bewirkt einen sehr robusten und vibrationsunempfindlichen Aufbau, der auch in rauer Umgebung eine stabile optische Justierung gewährleistet.For a calibration, a fixed positioning of the radiating opening is necessary, wherein the focal point of the collimator must be in the center of the opening. Even with mechanical vibrations, such as in an aircraft use, this optical adjustment must not change. The way of mounting the cavity in the housing causes a very robust and vibra tion-insensitive construction, which ensures a stable optical adjustment even in harsh environments.

Die nach unten gerichtete Öffnung des Strahlers sorgt dafür, dass die erwärmte Luft im Hohlrauminneren bleibt, was für eine verbesserte Temperaturhomogenität sorgt. Die Messung der Temperatur TH des Hohlraums erfolgt vorzugsweise mit Pt100-Fühlern und damit genauer als beispielsweise mit Thermoelementen. Das ist wichtig, weil es hier auf die absolute Genauigkeit ankommt.The downwardly directed opening of the radiator ensures that the heated air remains in the interior of the cavity, resulting in improved temperature homogeneity. The measurement of the temperature T H of the cavity is preferably carried out with Pt100 sensors and thus more accurate than for example with thermocouples. That's important because it's all about absolute accuracy.

Eine weitere Steigerung der absoluten Genauigkeit der Temperatur wird dadurch erreicht, dass die tatsächlich verwendeten Fühler vor dem Einbau kalibriert werden. Dies schließt Fehler aufgrund von Streuungen im Fertigungsprozess aus. Fehler durch Alterung der Temperaturfühler werden durch Nach-Kalibrierung vermieden. Hierfür ist eine einfache Einrichtung vorgesehen, die diesen Vorgang vereinfacht und damit sicher, schnell und billig durchführbar macht.A will further increase the absolute accuracy of the temperature achieved by that the actual used sensors be calibrated before installation. This excludes errors due to scatters in the manufacturing process. Failure due to aging of the temperature sensor will be avoided by post-calibration. This is a simple device provided, which simplifies this process and thus safe, fast and cheap to do power.

Wie in 5 dargestellt, wird als Kollimator 6 vorzugsweise ein Off-Axis-Parabolspiegel verwendet, der eine Strahlumlenkung um vorzugsweise 90° bewirkt. Allerdings sind auch Anordnungen mit anderen Umlenkwinkeln möglich. Vorzugsweise wird kein weiterer Spiegel verwendet; allerdings können konstruktive Randbedingen einen Umlenkspiegel erfordern. Der Kollimator 6 hat einen Durchmesser, der die Apertur eines zu kalibrierenden Messgeräts 8 vollständig überdeckt. Die spiegelnden Oberflächen 61 des Kollimator 6 sind poliert und vorzugsweise mit Gold beschichtet.As in 5 is shown as a collimator 6 preferably uses an off-axis parabolic mirror, which causes a beam deflection by preferably 90 °. However, arrangements with other deflection angles are possible. Preferably, no further mirror is used; however, constructional constraints may require a deflecting mirror. The collimator 6 has a diameter that is the aperture of a gauge to be calibrated 8th completely covered. The reflecting surfaces 61 of the collimator 6 are polished and preferably coated with gold.

Der Reflexionsgrad dieser Spiegel ist nicht ρS = 1, sondern für jede Oberfläche nur etwa ρS = 0,98 bis 0,99. Der Gesamtemissionsgrad εges der Anordnung von Hohlraumstrahler und Kollimator wird dadurch verringert: εges = εHρS, d. h. εges ≤ ρS. Vorteilhaft ist, dass dieser Einfluss bekannt und – unabhängig von den Umgebungsbedingungen – konstant und daher korrigierbar ist.The reflectance of these mirrors is not ρ S = 1, but for each surface only about ρ S = 0.98 to 0.99. The total degree of emission ε ges of the arrangement of cavity radiator and collimator is reduced by: ε ges = ε H ρ S , ie ε ges ≦ ρ S. It is advantageous that this influence is known and - regardless of the ambient conditions - constant and therefore correctable.

Die Korrektur erfolgt dadurch, dass die Temperaturen aller Spiegel gemessen werden. Damit kann die von den Spiegeln emittierte Strahlung bestimmt und berücksichtigt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass das Spiegelsubstrat eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dies ist durch die Verwendung von Metallen, wie z.B. Aluminium als Substrat erfüllt. Die Messung der Temperatur TS der/des Spiegel/s erfolgt vorzugsweise mit mindestens einem Temperaturfühler, Pt100-Fühler 71 im Inneren des Spiegel-Substrats nahe an der reflektierenden Oberfläche 61. Dazu weist das Substrat des Spiegels mindestens eine Bohrung 62 auf, die von der Seite oder von unten bis nahe an die spiegelnde Oberfläche 61 geführt ist.The correction is done by measuring the temperatures of all mirrors. Thus, the radiation emitted by the mirrors radiation can be determined and taken into account. The prerequisite for this is that the mirror substrate has a good thermal conductivity. This is accomplished through the use of metals such as aluminum as a substrate. The measurement of the temperature T S of the mirror / s is preferably carried out with at least one temperature sensor, Pt100 sensor 71 inside the mirror substrate, close to the reflective surface 61 , For this purpose, the substrate of the mirror has at least one bore 62 from the side or from below to near the reflective surface 61 is guided.

Durch zusätzliche thermische Isolierung der/des Spiegel/s ist thermischen Inhomogenitäten und vor allem schnellen Änderungen der Spiegeltemperatur während einer Kalibrierung entgegengewirkt. Diese Maßnahmen bewirken eine hohe Temperaturstabilität des Spiegels.By additional thermal isolation of the mirror (s) is thermal inhomogeneity and especially fast changes the mirror temperature during a calibration counteracted. These measures cause a high temperature stability of the mirror.

Es können dafür Metalle, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, verwendet werden. Der Spiegel ist an einer Halterung 63 so montiert und optisch justiert, dass sein Brennpunkt 27 im Zentrum der Öffnung 2 des Hohlraums 1 liegt und zwar dort, wo diese mit der innerem Oberfläche 3 fluchtet. Das zu kalibrierende Gerät 8 steht nahe beim Kollimator 6 und wird so montiert und optisch justiert, dass die optische Achse 28 des kollimierten Strahlenbündels mit der optischen Achse 101 des Geräts 8 deckungsgleich ist. Der Bün delquerschnitt 29 überdeckt die in der Seitensicht nicht sichtbare Apertur des Geräts 8 vollständig.It can be used for metals such as aluminum or copper. The mirror is on a bracket 63 so mounted and optically adjusted that its focal point 27 in the center of the opening 2 of the cavity 1 lies where it is with the inner surface 3 flees. The device to be calibrated 8th is close to the collimator 6 and is mounted and optically adjusted so that the optical axis 28 of the collimated beam with the optical axis 101 of the device 8th is congruent. The bundle cross section 29 covers the aperture of the device, which is not visible in the side view 8th Completely.

Um Fehler der Temperaturfühler aufgrund von Alterung auszuschließen, werden die Fühler in bestimmten Intervallen erneut kalibriert. 6 zeigt eine weitere Schnittansicht mit einem zusätzlichen Temperaturfühler 72 und einer Vorrichtung zur Kalibrierung des Temperaturfühlers. Dazu ist auf der Wandoberfläche 4 der Hohlkugel 1, vorzugsweise an deren geschlossenem Pol, ein kleiner ringförmiger Flansch 46 vorgesehen (angedreht oder angelötet), der vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Hohlkugel 1, beispielsweise also aus Kupfer, besteht.In order to prevent errors of the temperature sensors due to aging, the sensors are recalibrated at certain intervals. 6 shows a further sectional view with an additional temperature sensor 72 and a device for calibrating the temperature sensor. This is on the wall surface 4 the hollow sphere 1 , Preferably at the closed pole, a small annular flange 46 provided (turned on or soldered), preferably made of the same material as the hollow ball 1 , For example, from copper.

Der Flansch 46 dient zusammen mit einem Rohr 9 aus schlecht wärmeleitendem Material, wie beispielsweise Keramik, als Führung für einen in 6 nicht dargestellten Referenzfühler, der nur zur Kalibrierung des fest eingebauten Temperaturfühlers 72 eingesetzt wird, dessen Zuleitung in 6 verkürzt dargestellt sind, nicht jedoch deren weiterer Verlauf durch die Gehäusewand 16 nach außen.The flange 46 serves together with a pipe 9 made of poorly heat-conductive material, such as ceramic, as a guide for a in 6 Reference sensor, not shown, only for calibrating the built-in temperature sensor 72 is used, whose supply in 6 are shown shortened, but not their further course through the housing wall 16 outward.

Diese Führung aus Flansch 46 und Rohr 9 verhindert, dass der Kalibrierfühler beim Einbringen in die Anordnung versehentlich auf den fest eingebauten Messfühler 72 aufgesetzt wird und diesen beschädigt oder zerstört. Gleichzeitig stellt die Anordnung sicher, dass der Kalibrierfühler sehr nahe (wenige Millimeter) neben dem fest eingebauten Pt100-Fühler 72 auf der Hohlkugel 1 messen kann. Das Rohr 9 mündet in eine kastenförmige Schleuse 91, die an der Gehäusewand 16 montiert ist. In der Schleuse 91 befindet sich herausnehmbares thermisches Isoliermaterial 92 in Form eines die Schleuse 91 dicht ausfüllenden Blocks. Ein vorzugsweise durch Schwenken zu öffnender Deckel 93 verschließt die Schleuse 91 nach außen.This guide made of flange 46 and pipe 9 Prevents the calibration probe from being accidentally applied to the built-in probe when it is inserted into the assembly 72 is attached and damaged or destroyed. At the same time, the arrangement ensures that the calibration probe is very close (a few millimeters) next to the permanently installed Pt100 probe 72 on the hollow sphere 1 can measure. The pipe 9 flows into a box-shaped lock 91 on the housing wall 16 is mounted. In the lock 91 is removable thermal insulation material 92 in the form of a lock 91 densely filled blocks. A preferably by pivoting openable lid 93 closes the lock 91 outward.

Im normalen Betrieb befindet sich das Isoliermaterial 92 in der Schleuse 91 und der Deckel 93 ist geschlossen. Zur Nachkalibrierung des/r fest eingebauten Fühlers 72 wird der Deckel 93 geöffnet und die Isolierung 92 entfernt. Ein hochgenauer Temperaturfühler wird durch das Rohr 9 eingebracht und berührt die Hohlkugel-Oberfläche 4 innerhalb des Flansches 46. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs ist der Fühler fest auf die Hohlkugel-Oberfläche 4 zu drücken.In normal operation is the insulating material 92 in the lock 91 and the lid 93 is closed. For recalibration of the permanently installed sensor 72 becomes the lid 93 opened and the insulation 92 away. A high-precision temperature sensor is through the pipe 9 introduced and touches the hollow sphere surface 4 inside the flange 46 , To ensure a good heat transfer the sensor is fixed on the hollow sphere surface 4 to press.

Durch Aufheizen der Hohlkugel 1 und Vergleichen der Fühlertemperaturen wird dann eine Kalibrierkurve für den fest eingebauten Fühler 72 aufgenommen. Ein Demontieren des Fühlers 72 und die Kalibrierung in einem zusätzlichen Wärmebad, wie beispielsweise Wasser oder Silikonöl, ist nicht erforderlich. Die Kalibrierung wird damit wesentlich vereinfacht. Ihre Reproduzierbarkeit ist sichergestellt, da der Fühler 72 nicht manipuliert wird. Die Anordnung aus Rohr 9 und Schleuse 91 mit Isoliermaterial 92 und Deckel 93 erübrigt das Entfernen der Isolierung 19 im Gehäuse 16. Eine Beschädigung des eingebauten Fühlers 72 bzw. seiner Anschlüsse ist auf diese Weise ebenfalls ausgeschlossen und der gesamte Vorgang der Nachkalibrierung kann schnell auch von ungeübtem Personal und damit kostengünstig durchgeführt werden.By heating the hollow sphere 1 and comparing the sensor temperatures then becomes a calibration curve for the built-in sensor 72 added. Disassembling the probe 72 and calibration in an additional heat bath, such as water or silicone oil, is not required. The calibration is thus considerably simplified. Their reproducibility is ensured by the feeler 72 not manipulated. The arrangement of pipe 9 and lock 91 with insulating material 92 and lid 93 it is not necessary to remove the insulation 19 in the case 16 , Damage to the built-in sensor 72 or its connections is also excluded in this way and the entire process of recalibration can be performed quickly by untrained personnel and thus cost.

Es können weitere Temperaturfühler an anderen Stellen der Oberfläche 4 der Hohlkugel 1 angebracht werden. Diese kön nen dazu dienen, eventuelle Abweichungen von der Temperaturhomogenität der Hohlkugel-Oberflächen 3, 4 zu erfassen. Sie können auch zur Temperaturregelung verwendet werden und Redundanz bei einem eventuellen Ausfall eines Fühlers 70, 72 bieten.There may be other temperature sensors elsewhere on the surface 4 the hollow sphere 1 be attached. These Kings nen serve any deviations from the temperature homogeneity of the hollow ball surfaces 3 . 4 capture. They can also be used for temperature control and redundancy in case of sensor failure 70 . 72 Offer.

Werden Abweichungen von der Temperaturhomogenität festgestellt, so werden diese im Kalibrierverfahren dergestalt berücksichtigt, dass die innere Wandoberfläche 3 als aus Segmenten unterschiedlicher Temperatur zusammengesetzt berechnet wird. Die Fläche der Segmente ergibt sich aus der Anordnung und Lage der zusätzlichen Temperaturfühler. Die gesamte Strahldichte ergibt sich als Summe der Strahldichten aller Segmente. Zu diesem Zweck werden die zusätzlichen Fühler 70, 72 gleichmäßig, d. h. in gleichen Abständen von- bzw. untereinander, auf der Kugeloberfläche 4 verteilt montiert.If deviations from the temperature homogeneity are detected, then these are taken into account in the calibration process in such a way that the inner wall surface 3 is calculated as being composed of segments of different temperature. The area of the segments results from the arrangement and position of the additional temperature sensor. The total radiance is the sum of the radiances of all segments. For this purpose, the additional sensors 70 . 72 evenly, ie at equal distances from or among each other, on the spherical surface 4 distributed mounted.

Für eine hochgenaue Kalibrierung werden außerdem der Emissionsgrad εH des Hohlraumstrahlers und Reflexionsgrad ρS der/des Spiegel/s durch Messung bzw. Rechnung bestimmt und in folgendem Ausdruck verwendet: LN = εHρSLH + (1 – ρS)LS. For a highly accurate calibration, the emissivity ε H of the cavity radiator and the reflectance ρ S of the mirror / s are also determined by measurement or calculation and used in the following expression: L N = ε H ρ S L H + (1 - ρ S ) L S ,

Hierbei sind mit LN die Strahldichte des aus Hohlraumstrahler und Kollimator bestehenden Normals, mit LH die Strahldichte eines schwarzen Strahlers der Temperatur TH des Hohlraums, mit LS die Strahldichte eines Schwarzen Strahlers der Temperatur TS der/des Spiegel/s, mit εH der Emissionsgrad der strahlenden Öffnung des Hohlraumstrahlers und mit ρS der Reflexionsgrad der reflektierenden Oberfläche(n) der/des Spiegel/s bezeichnet.In this case, L N is the radiance of the normal consisting of cavity radiator and collimator, with L H the radiance of a black radiator of the temperature T H of the cavity, with L S the radiance of a black radiator of the temperature T S / of the mirror / s, with ε H denotes the emissivity of the radiating opening of the cavity radiator and with ρ S the reflectance of the reflecting surface (s) of the mirror / s.

Mit Hilfe des Kollimators sind folgende Wirkungen und Verbesserungen erreicht. Aufgrund der Optik gelangt reflektierte Umgebungsstrahlung, die ansonsten sehr störend wäre, da sie nur sehr ungenau zu quantifizieren ist, nicht zum zu kalibrierenden Messgerät, wie es bei Verwendung eines Flächenstrahlers der Fall ist. Durch Messen der Spiegeltemperaturen) wird deren Einfluss überwacht, erfasst und somit korrigierbar. Eine Temperaturinhomogenität auf der Spiegeloberfläche wirkt sich wegen des geringen Emissionsgrades des Spiegels (εS = 0,01 bis 0,02) viel geringer aus als bei einem gleichgroßen Flächenstrahler mit einem hohen Emissionsgrad εF.With the help of the collimator, the following effects and improvements have been achieved. Due to the optics, reflected ambient radiation, which otherwise would be very disturbing, since it can only be quantified very inaccurately, does not reach the measuring device to be calibrated, as is the case when using a surface radiator. By measuring the mirror temperatures their influence is monitored, recorded and thus correctable. Due to the low emissivity of the mirror (ε S = 0.01 to 0.02), a temperature inhomogeneity on the mirror surface has a much smaller effect than with an equally large area radiator with a high emissivity ε F.

Nachfolgend sind Algorithmen zur Dimensionierung einer Kalibriereinheit angegeben. Der Emissionsgrad eines Hohlraumstrahlers berechnet sich wie folgt.following are given algorithms for sizing a calibration unit. The emissivity of a cavity radiator is calculated as follows.

Figure 00200001
Figure 00200001

Hierbei sind mit εH der Emissionsgrad der strahlenden Öffnung des Hohlraumstrahlers, mit εO der Emissionsgrad der inneren Oberfläche des Hohlraums, mit s die Fläche der Aperturöffnung 2 des Hohlraumstrahlers 1 und mit S die Fläche der inneren Oberfläche des Hohlraums bezeichnet. Die Formel für εH ist entnommen aus
Wolfe, W. L. Zissis, G. J., editors: The Infrared Handbook, Environmental Research Institute of Michigan, Office of Naval Research, 1978) und durch Experimente überprüft:
Bauer, G.: Zur Bestimmung des Emissionsgrades von Hohlräumen durch Reflexionsmessungen, Optik 28, Heft 2 (1968/69), sowie:
Bauer, G., Bischoff, K., Evaluation of the emissivity of a cavity source by reflection measurements, Applied Optics, Vol. 10, No. 12, 1971.
Here, with ε H, the emissivity of the radiating opening of the cavity radiator, with ε O the emissivity of the inner surface of the cavity, with s the area of the aperture opening 2 of the cavity radiator 1 and S denotes the area of the inner surface of the cavity. The formula for ε H is taken from
Wolfe, WL Zissis, GJ, editors: The Infrared Handbook, Environmental Research Institute of Michigan, Office of Naval Research, 1978) and verified by experiments:
Bauer, G .: For determining the emissivity of cavities by reflection measurements, optics 28, Issue 2 (1968/69), and:
Bauer, G., Bischoff, K., Evaluation of the emissivity of a cavity source by reflection measurements, Applied Optics, Vol. 12, 1971.

Der Wert des Emissionsgrads für verschiedene Oberflächen kann der Literatur entnommen werden. Zur Dimensionierung des Kollimators ist einerseits die Geometrie des optischen Systems des zu kalibrierenden Strahlungsmessgeräts zu betrachten, andererseits die Geometrie der strahlenden Öffnung des Hohlraumstrahlers. Der Einfachheit halber ist hier von kreissymmetrischen Geometrien beider ausgegangen, die in der Praxis auch weitaus überwiegen.Of the Value of emissivity for different surfaces can be taken from the literature. For sizing the collimator on the one hand is the geometry of the optical system of the calibrated radiometer on the other hand, the geometry of the radiating aperture of the Cavity radiator. For the sake of simplicity, here is of circular symmetrical Geometries of both assumed that far outweigh in practice.

Die Apertur der Optik des Messystems ist also kreisförmig und hat eine Fläche AM mit einem Radius rM. Der halbe Öffnungswinkel des kegelförmigen Gesichtsfeldwinkels des Messgeräts ist βM, der damit überdeckte Raumwinkel ist: ΩM = 2π(1 – cosβ)sr ≈ πβ2.wobei die Näherung für kleine Winkel β gilt.The aperture of the optics of the measuring system is thus circular and has an area A M with a radius r M. The half angle of the cone-shaped field angle of the measuring instrument is β M , which is the solid angle covered with it: Ω M = 2π (1 - cosβ) sr ≈ πβ 2 , where the approximation is for small angles β.

Die Apertur des Kollimators, genauer ihre Projektion auf die Rpertur des Messystems, ist dann vorzugsweise auch kreisförmig und hat die Fläche AK, sowie den Radius rK. Der Radius muss mindestens so groß sein, dass bei vorgegebenem Abstand L zwischen Messgerät und Kollimator das Instrument nur Strahlung vom Kollimator empfängt. Also, rK > rM + Ltanβ. The aperture of the collimator, more precisely its projection onto the aperture of the measuring system, is then preferably also circular and has the area A K and the radius r K. The radius must be at least so large that at a given distance L between the measuring device and the collimator, the instrument receives only radiation from the collimator. So, r K > r M + Ltanβ.

Der vom Kollimator überdeckte Raumwinkel ist:

Figure 00220001
wobei mit fK die optische Brennweite des Kollimators bezeichnet ist.The solid angle covered by the collimator is:
Figure 00220001
where f K is the optical focal length of the collimator.

Dann wird dimensioniert: ΩK > ΩM. Somit ist, eine richtige optische Justierung vorausgesetzt, sichergestellt, dass die Apertur und der Raumwinkel des Messgeräts von der Apertur und dem Raumwinkel der Kalibriereinrichtung überdeckt werden.Then dimension: Ω K > Ω M. Thus, assuming correct optical adjustment, it is ensured that the aperture and the solid angle of the measuring device are covered by the aperture and the solid angle of the calibrating device.

Obige Gleichungen ermöglichen die Dimensionierung unter Beachten optischer Gesetze bei der Kollimatorauslegung bzw. unter Heranziehen von Datenblättern kommerziell verfügbarer Kollimatoren. Die Fertigung der Hohlraumkörper sowie ihre thermisch isolierte Montage erfolgen, wie vorstehend beschrieben. Die Einrichtung lässt sich natürlich auch zur Kalibrierung vom Messgeräten mit kleiner Apertur verwenden.Above Allow equations the dimensioning while observing optical laws in the Kollimatorauslegung or by using data sheets of commercially available collimators. The Production of the cavity body and their thermally insulated assembly, as above described. The decor leaves of course also for calibration of small aperture gauges.

11
Hohlkugelhollow sphere
1010
kugelförmiger Hohlraum in 1 spherical cavity in 1
11, 1211 12
Halbkugelschalen Hemispherical shells
1313
Äquatorequator
1414
Klemmflanschclamping flange
1515
Halteflanschretaining flange
1616
Metallgehäusemetal housing
1717
Halterahmenholding frame
1818
Buchsensockets
1919
Räumerooms
22
Öffnung (Apertur)Opening (aperture)
2020
Gehäuseöffnunghousing opening
2121
Tubustube
2727
Brennpunktfocus
2828
optische Achseoptical axis
2929
BündelquerschnittBeam cross-section
33
innere Wandoberflächeinner wall surface
3131
v-förmige FurchenV-shaped furrows
44
äußere Wandoberflächeouter wall surface
4141
spiralförmige Nutspiral groove
4242
gerade Wand von 41 straight wall of 41
4343
halbkreisförmiger Boden von 4 semicircular bottom of 4
4444
Verstemmungcaulking
4545
oberer Nutrandupper slot edge
4646
Flanschflange
55
Heizleiterheating conductor
66
Kollimatorcollimator
6161
Oberfläche von 6 Surface of 6
6262
Bohrungdrilling
6363
Halterungbracket
70, 71, 7270 71, 72
Temperaturfühler temperature sensor
88th
zu kalibrierendes Gerätto calibrating device
99
Rohrpipe
9191
Schleuselock
9292
Block Isoliermaterialblock insulating material
9393
Deckelcover
101101
optische Achse von 8 optical axis of 8th

Claims (20)

Vorrichtung in Form eines Normals zur Kalibrierung von Messgeräten zur quantitativen Infrarot-Strahlungsmessung, gekennzeichnet durch einen Hohlraumstrahler aus Metall mit einer kleinen nach unten gerichteten, als Apertur dienenden Öffnung (2), wobei unter der Apertur des Hohlraumstrahlers ein Kollimator (6) ausgerichtet und in einem solchen Abstand angeordnet ist, dass dessen Brennpunkt (27) genau in der Mitte der als Apertur dienenden Öffnung (2) liegt.Apparatus in the form of a standard for the calibration of quantitative infrared radiation measuring instruments, characterized by a metal cavity radiator with a small downwardly opening aperture ( 2 ), wherein under the aperture of the cavity radiator a collimator ( 6 ) and is arranged at such a distance that its focal point ( 27 ) right in the middle of the aperture ( 2 ) lies. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumstrahler eine aus zwei Halb kugelschalen (11, 12) gebildete Metall-Hohlkugel (1) ist und im Scheitelpunkt einer (11) der beiden Halbkugelschalen (11, 12) die als Apertur dienende Öffnung (2) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the cavity radiator one of two half-spherical shells ( 11 . 12 ) formed metal hollow sphere ( 1 ) and at the apex of a ( 11 ) of the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) the aperture serving as an aperture ( 2 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der beiden Halbkugelschalen (11, 12) von diesen ein gut wärmeleitender, dem Kugeldurchmesser entsprechender Klemmflansch (14) nach außen vorsteht,Apparatus according to claim 2, characterized in that for connecting the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) of these a good heat-conducting, the ball diameter corresponding clamping flange ( 14 ) protrudes outwards, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich an den beiden Halbkugelschalen (11, 12) in radialer Richtung verlaufende Halteflansche (15) ausgebildet sind, mittels welcher die Hohlkugel (1) über einen Halterahmen (17) thermisch isoliert in einem die Hohlkugel (1) einschließenden Metallgehäuse (16) gehalten ist.Device according to one of claims 2 or 3, characterized in that in addition to the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) extending in the radial direction retaining flanges ( 15 ) are formed, by means of which the hollow ball ( 1 ) via a holding frame ( 17 ) thermally isolated in a hollow sphere ( 1 ) enclosing metal housing ( 16 ) is held. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Halteflanschen (15) und dem Halterahmen (17) thermisch isolierte Buchsen (18) ausgebildet sind.Apparatus according to claim 4, characterized ge indicates that between the retaining flanges ( 15 ) and the holding frame ( 17 ) thermally insulated sockets ( 18 ) are formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Räume (19) zwischen der Hohlkugel (1) und dem diese umgebenden Gehäuse (16) mit thermisch isolierendem Material ausgefüllt sind.Device according to one of claims 4 or 5, characterized in that the spaces ( 19 ) between the hollow sphere ( 1 ) and the surrounding housing ( 16 ) are filled with thermally insulating material. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Material mit Aluminiumfolie kaschiertes Keramikvlies oder Schüttgut ist.Device according to claim 6, characterized in that that the thermally insulating material laminated with aluminum foil Ceramic fleece or bulk material is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den inneren Wandoberflächen (3) der beiden Halbkugelschalen (11, 12) konzentrisch oder spiralförmig verlaufende, im Querschnitt etwa v-förmige Furchen (31) ausgebildet sind.Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that in the inner wall surfaces ( 3 ) of the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) concentric or spiral-shaped, in cross-section approximately V-shaped furrows ( 31 ) are formed. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die v-förmigen Furchen (31) einen Flankenwinkel im Bereich von 30° bis 60° haben.Device according to claim 8, characterized in that the V-shaped grooves ( 31 ) have a flank angle in the range of 30 ° to 60 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den äußeren Wandoberflächen (4) der beiden Halbkugelschalen (11, 12) eine von dem jeweiligen Scheitelpunkt ausgehende, spiralförmig verlaufende Nut (41) zur Aufnahme eines Heizleiters (5) ausgebildet ist.Device according to one of claims 2 to 9, characterized in that in the outer wall surfaces ( 4 ) of the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) extending from the respective vertex, spirally extending groove ( 41 ) for receiving a heating conductor ( 5 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (41) in den beiden Halbkugelschalen (11, 12) jeweils Einschnitte mit gerader Wand (42) und halbkreisförmigem Boden (43) sind.Device according to claim 10, characterized in that the grooves ( 41 ) in the two hemispherical shells ( 11 . 12 ) each incisions with a straight wall ( 42 ) and semi-circular bottom ( 43 ) are. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenfläche (4) der öffnungslosen Halbkugelschale (12) mindestens ein Temperaturfühler (72) vorgesehen ist.Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that on the outer surface ( 4 ) of the open-ended hemisphere shell ( 12 ) at least one temperature sensor ( 72 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (72) im Scheitelpunkt der öffnungslosen Halbkugelschale (12) fest eingebaut ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the temperature sensor ( 72 ) at the apex of the open-ended hemisphere shell ( 12 ) is permanently installed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiter (5) einen in einem dünnwandigen Metallrohr untergebrachten Widerstandsdraht aufweisen, der gegenüber dem Metallrohr durch pulverförmiges, nichtleitendes Isoliermaterial, wie Magnesiumoxyd isoliert ist.Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the heating conductors ( 5 ) comprise a resistance wire accommodated in a thin-walled metal tube which is insulated from the metal tube by powdery non-conductive insulating material such as magnesium oxide. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Widerstandsdrahts elektrisch gut leitende Drähte sind.Device according to claim 14, characterized in that the ends of the resistance wire are electrically good conducting wires. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (6) ein Off-Axis-Parabolspiegel ist, dessen Durchmesser die Apertur von zu kalibrierenden Messgeräten (8) überdeckt.Device according to claim 1, characterized in that the collimator ( 6 ) is an off-axis parabolic mirror whose diameter is the aperture of the measuring instruments to be calibrated ( 8th ) covered. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an oder nahe an der reflektierenden Oberfläche (61) des Kollimators (6) in dessen Substrat min destens ein in einer Bohrung (62) untergebrachter Temperaturfühler (71) vorgesehen ist.Device according to one of claims 1 or 16, characterized in that at or close to the reflective surface ( 61 ) of the collimator ( 6 ) in its substrate at least one in a bore ( 62 ) accommodated temperature sensor ( 71 ) is provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des fest eingebauten Temperaturfühlers (72) in dessen unmittelbarer Nähe zum Einführen eines Referenz-Temperaturfühlers ein an der Außenfläche (4) der öffnungslosen Halbkugelschale (12) endendes Rohr (9) vorgesehen ist.Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that for calibration of the permanently installed temperature sensor ( 72 ) in its immediate vicinity for introducing a reference temperature sensor on the outer surface ( 4 ) of the open-ended hemisphere shell ( 12 ) ending pipe ( 9 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (9) in einer an dem Metallgehäuse (16) befestigten, verschließbaren Schleuse (91) endet.Apparatus according to claim 18, characterized in that the tube ( 9 ) in a on the metal housing ( 16 ), lockable lock ( 91 ) ends. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (91) mit einem das Rohr (9) umgebenden Block aus Isoliermaterial (92) gefüllt und mittels eines Deckels (93) verschließbar ist.Device according to claim 19, characterized in that the lock ( 91 ) with a pipe ( 9 ) surrounding block of insulating material ( 92 ) and by means of a lid ( 93 ) is closable.
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